Основы Организации вычислительных машин

В.В.Гуров

Основы организации

вычислительных машин

Москва 2004

Министерство ОБРАЗОВАНИя и науки

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕС­КИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Гуров В.В.

Основы Организации вычислительных машин

Москва 2004

УДК 004.312(075)

ББК 32.973-02я7

Г95

Гуров В.В. Основы организации вычислительных ма­шин: Уч. пособие. М.: МИФИ, 2004. – 164 с.

В пособии описываются архитектура классической и персональной ЭВМ, схемотехнические основы компьютеров, основные устройства ЭВМ, организация вычислительного процесса в ЭВМ, конвейерная обработка информации в процессоре, особенности мультипрограммного режима работы компьютера и связанные с этим проблемы: управление памятью, организация прерываний, защита данных.

Пособие предназначено для студентов специальностей " Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", " Автоматизированные системы обработки информации и управления" и других специальностей, изучающих основы вычислительной техники.

Рекомендовано редсоветом МИФИ

в качестве учебного пособия

© В.В.Гуров, 2004

© Московский инженерно-физический институт

(государственный университет), 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Список условных обозначений..........................................

1. Структура однопрограммной ЭВМ...............................

1.1. Классические основы построения ЭВМ.................

1.2. Архитектура классической ЭВМ............................

1.3. Цикл выполнения команды.....................................

2. Основы схемотехнической реализации ЭВМ................

2.1. Системы логических элементов.............................

2.2. Порядок проектирования комбинационных схем.

2.3. Основные функциональные элементы ЭВМ.........

3. Устройства компьютера.................................................

3.1. Арифметико-логическое устройство.....................

3.2. Устройство управления..........................................

3.3. Запоминающие устройства....................................

4. Архитектура персонального компьютера.....................

4.1. Структура 16-разрядного микропроцессора.........

4.2. Режимы адресации и форматы команд

16-разрядного микропроцессора...................................

4.3. Взаимодействие основных узлов и уст­ройств персонального компьютера при автоматическом выполнении команды.....................................................

4.4. Архитектура 32-разрядного микропроцессора.....

4.5. Конвейерная организация работы процессора......

5. Организация работы мультипрограммных ЭВМ..........

5.1. Основные характеристики мультипрограммного режима работы ЭВМ

5.2. Дисциплины распределения ресурсов...................

5.3. Основные режимы работы мультипрограммной ЭВМ

5.4. Система прерываний...............................................

5.5. Система управления памятью................................

5.6. Защита памяти в мультипрограммных ЭВМ.........

5.7. Ввод-вывод информации........................................

Литература..........................................................................

Список условных обозначений

АЛУ – арифметико-логическое устройство

АН – автомат Неймана

БИС – большая интегральная схема

БУОп – блок управления операциями

БФАО – блок формирования адреса операнда

ДС – датчик сигналов

ДшА – дешифратор адреса

ДшКОп – дешифратор кода операции

ЗП – запрос прерывания

ЗУ – запоминающее устройство

ЗЯ – запоминающая ячейка

КОп – код операции

КПДП – контроллер прямого доступа к памяти

КТС – каталог таблиц страниц

МД – магнитный диск

МК – микрокоманда

МЛ – магнитная лента

МП – микропроцессор

МТ – машина Тьюринга

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ОП – оперативная память

ОС – операционная система

ПДП – прямой доступ к памяти

РА ­– регистр адреса

РК – регистр команд

РП – регистровая память

РПр – регистр признаков

РР – регистр результата

СК – счетчик команд

ТС – таблица страниц

УВВ – устройство ввода-вывода

УС – указатель стека

УС _i – i -й управляющий сигнал

УУ – устройство управления

ФА – физический адрес

ША – шина адреса

ШД – шина данных

ШУ – шина управления

ЭА – эффективный адрес

ЭВМ – электронная вычислительная машина

ЭН – элемент Неймана

∑ ФАД – сумматор физического адреса данных

∑ ФАК – сумматор физического адреса команды

CPU (central processing unit) – центральный процессор

ЕА (effective adress) – эффективный адрес

FIFO (First In – Fist Out) – дисциплина обслуживания " первый пришел – первый обслужен"

FPU - floating point unit

INT (interrupt) – сигнал запроса маскируемого прерывания

IP (instruction pointer) – указатель команд

IF (interrupt flag) – флаг разрешения аппаратных прерываний

LIFO (Last In – Fist Out) – последний пришел – первый обслужен

MR (memory read) – сигнал чтения из оперативной памяти

MW (memory write) – сигнал записи в оперативную память

NMI (no mask interrupt) – сигнал запроса немаскируемого

прерывания

1. Структура однопрограммной ЭВМ

1.1. Классические основы построения ЭВМ

Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30-е – 40-е годы прошлого века видными учеными: английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения Джоном (Яношом) Нейманом.

Машина Тьюринга

В 1936 году А. Тьюринг сформулировал понятие абстрактной вычислительной машины. Одновременно с ним, хотя и не в столь явной форме, это же сделал Э. Пост (США). Хотя машина Тьюринга (МТ) не стала реально существующим устройством, она до настоящего времени постоянно используется в качестве основной модели для выяснения сущности таких понятий, как “вычислительный процесс”, “алгоритм”, а также для выяснения связи между алгоритмом и вычислительными машинами.

Основные положения машины Тьюринга

1. Машина Тьюринга (рис.1.1) имеет конечное число знаков s_i, образующих внешний алфавит, в котором кодируются сведения, подаваемые в МТ, а также вырабатываемые в ней. Среди знаков имеется пустой знак (s ₁), посылка которого в какую-либо ячейку стирает находившийся в ней знак и оставляет ее пустой.

В зависимости от поданной начальной информации a (содержащихся на ленте знаков) возможны два случая:

после конечного числа тактов машина останавливается (имея информацию b), подавая сигнал об остановке. В этом случае МТ применима к информации a и перерабатывает ее в информацию b;

остановка никогда не наступает. В этом случае МТ не применима к начальной информации a.

На каждом отдельном такте команда предписывает только замену единственного знака s_i, хранящегося в обозреваемой ячейке, каким-либо другим знаком s _j.

3. Логический блок МТ имеет конечное число состояний { q_i } i =1… m.

Знаки R, L, N, q ₁, …, q_m – внутренний алфавит машины.

Переработанный знак s_j и операция перехода P (t +1) являются функцией s_i и q_k:

s_i (t +1)= f (s_i (t), q_k).

P (t +1)= j (s_i(t), q_k)

Программа для МТ определяется тройкой { s_i, P, q }_t+1.

Перед началом работы машина Тьюринга находится в состоянии q 1 считывания первого операнда.

Данная МТ применима к исходной информации. Останов – состояние q 4. Значение s _i в ячейке y не меняется (сохраняется результат).

Если программа для МТ будет определена таблицей переходов

то данная МТ будет не применима к исходной информации. В состоянии q 4 значение s_i в ячейке y постоянно меняется на противоположное.