Структура компьютера, принцип функционирования. Выполнение арифметических операций на компьютере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственный комитет России

по высшему образованию.

Рязанская Государственная

Радиотехническая Академия

Кафедра ЭВМ

Контрольная работа

«Структура компьютера, принцип функционирования. Выполнение арифметических операций на компьютере»

Выполнил

студент гр.343

Кондрахин А.В. ,

Проверил

Доц. Иопа Н.И.

Ст. пр. Гринченко Н.Н.

Рязань, 2006 г.

Цель работы

1. Изучение структуры компьютера и принципов его функционирования

2. Выполнение арифметических операций в ЭВМ

3. Разработка программы реализации арифметического выражения и отладка ее с помощью отладчика TD

1. Теоретическая часть

1.1 Структурная организация компьютера

На рис. 1 представлена структурная схема ЭВМ Дж. фон Неймана, включающая устройство ввода-вывода (УВВ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), центральное устройство управления (ЦУУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все устройства совместно функционируют на основе принципа программного управления.

Программа Операнды ЦП

Исходные ОЗУ Результаты АЛУ

данные УВВ Адреса

Код

Команды операции

Результаты ВЗУ ЦУУ

Рис. 1. Структура ЭВМ Дж. Фон Неймана.

Процесс решения любой задачи на ЭВМ определяется алгоритмом - однозначным предписанием последовательности операций, обеспечивающих решение задачи.

Устройство ЭВМ, непосредственно осуществляющее процесс переработки цифровой информации и управление им в соответствии с заданным алгоритмом, называется центральным процессором (ЦП). Для ЦП алгоритм представляется программой - последовательностью команд, реализующих алгоритм решаемой задачи. Команда имеет операционную (КОП) и адресную (А) части (рис.2).

КОП А

Рис. 2 Формат команды.

Адресная часть (А) указывает адрес ячеек ОП, в которых хранятся операнды (данные); операционная часть содержит код операции, характеризующий соответствующий тип операции, которую должен выполнить процессор.

1.2 Структурная организация ПК

Структура ПК приведена на рис. 3 и является типовой для микропроцессорных систем и ПК на базе 16-разрядного МП Kl810BM86 (аналог Intel 8086).

Рис. 3. Типовая структура ПК на базе МП К1810ВМ86

Микросистема содержит ЦП на основе МП К1810ВМ86, память, подсистему ввода-вывода, системную шину (СШ), включающую шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ).

1.3 Логическая организация памяти

Физически память ЭВМ - Это набор ячеек, каждая из которых имеет размер 1 байт. Номер ячейки - это её адрес. Общее количество ячеек называется адресным пространством. Диапазон значений физических адресов зависит от разрядности шины адреса микропроцессора.

Логически адресное пространство памяти разбито на сегменты по 64 Кбайт. Сегменты могут перекрывать друг друга. Каждый сегмент начинается с адреса, значение которого кратно шестнадцати, например 0000h, 0010h, 0FF0h.. Физическое значение адреса вычисляется с использованием регистра сегмента, в котором хранится номер сегмента, и одного из регистров, где находится смещение (номер ячейки, отсчитываемый от начала сегмента). Число в регистре сегмента умножается на 16 и складывается со смещением.

Для хранения однобайтовых данных в памяти отводится одна ячейка. Для хранения машинных слов в памяти выделяется две ячейки. При этом младший байт слова хранится в ячейке с меньшим значением адреса, старший - с большим значением адреса. В качестве адреса слова указывается адрес младшего байта. [2],[4,5 стр.] Принцип «младшее по младшему адресу» сохраняется и для представления других единиц данных: двойных слов, многобайтных команд и т. д.

МП К18010 обеспечивает адресацию памяти емкостью 2²⁰ = 1 Мбайт. На программном уровне память представляют как линейную последовательность из 1 Мбайт = 2²⁰ байт (рис. 4).

Рис. 4 Логическая организация памяти.

1.4 Центральный процессор (ЦП) и основной цикл его работы

ЦП - основной блок ЭВМ (рис. 5). В нём можно выделить две основные части: управляющую (УЧ) и операционную (ОЧ). Операционная часть, в которой происходит преобразование информации (выполняются элементарные операции из функционального полного набора), содержит необходимые для этого средства, и в частности арифметико-логическое устройство (АЛУ) и различные регистры. Операции двоичной арифметики и булевой алгебры реализуются: в АЛУ на уровне регистровых передач между регистрами-источниками операндов и регистром результата. Эти операции осуществляются за счёт пересылки через комбинационную схему (КС), настроенную на определённую арифметическую операцию. УЧ формирует управляющие сигналы (УС) для настройки и коммутации узлов ОУ (см. рис. 5) в соответствии с выполняемой операцией, а также УС, необходимые для организации обмена информацией с ОП и внешними устройствами. Процессор реализует программное управление вычислительным процессом. Необходимую для этого управляющую информацию он получает в виде команд, хранимых в ОП. Программы вместе с исходными данными вводятся в ОП ЭВМ с помощью УВВ.

ЦП ОП

«Считывание»

Управляющая «Запись» Управление

часть

(регистры)

Команда Обл. программ

Адрес команды КОП А

Операционная Адрес операнда

часть

(АЛУ) Операнд Операнд

Результат Обл. данных

Рис. 5. Обобщенная структура процессора

Основной цикл работы ЦП:

ЦП управляет процессом решения задачи на основе программы, команда за командой, считываемых из ОП с последующим исполнением закодированных в них операций.

Выборка команд программы для исполнения, выборка операндов по адресам, указанным в команде, запуск операции на исполнение и запись результата в ОП поручаются устройству управляющей части процессора, называемому центральным устройством управления (ЦУУ).

При обработке i-й команды программы ЦУУ реализует следующую последовательность действий:

- выборку очередной i-й команды;

- исполнение;

- выдачу и сохранение результата исполнения команды;

- подготовку следующей команды.

В состав ЦУУ входят счётчик команд (СК), хранящий адрес очередной команды, и регистр команд (РК). По адресу, содержащемуся в СК, из ОП извлекается очередная i+1 команда и записывается в РК.

Исполнение команды начинается с анализа двух полей команды - КОП и А. Код операции настраивает АЛУ на выполнение заданной операции. Адреса поступают в ОП, где по ним считываются операнды, участвующие в операции, и записывается результат. Заканчивается цикл, как правило, увеличением содержимого СК на количество байтов (длину) команды, подготавливая адрес следующей, i+1, команды. Результат операции в зависимости от типа команды может храниться в одном го регистров ЦП либо передаваться в ОП.

Способ адресации команд может быть естественным -- адрес следующей команды формируется в СК путем увеличения адреса на длину текущей команды l, т.е. СКСК+l, либо принудительным (произвольным). При нарушении естественного порядка следования команд (разветвления, объединения, циклы) используют специальные команды управления переходами, в которых имеется адрес перехода.

Понятие «микропроцессор» (МП) в функциональном отношении совпадает с понятием ЦП и отражает лишь особенности, связанные с использованием технологии СБИС при его реализации.

Структурная схема МП К1810ВМ86

В МП К1810ВМ86 (рис. 6) основные этапы выполнения команды распределены внутри МП по двум сравнительно независимым устройствам - УС и ОУ. компьютер процессор арифметический выражение

Операционное устройство (ОУ) содержит 16-битные регистры данных AX,BX,CX,DX, указатели памяти SP,BP,SI,DI, арифметико-логическое устройство АЛУ и регистр признаков F (регистр флагов). Когда ОУ занято выполнением текущей команды, устройство сопряжения УС осуществляет опережающую выборку очередных команд из памяти. Команды хранятся во внутренней регистровой памяти, называемой очередью (буфером) команд, по существу выполняющей функцию регистра команд (РК ) ЦП. В состав УС входят 16-битные регистры CS,DS,SS,ES и сумматор СМ, которые формируют 20-битный физический адрес памяти из двух 16-битных логических адресов: адреса сегмента (базы) и смещения, называемого также эффективным (исполнительным) адресом ЕА. Это реализуется путем суммирования ЕА с содержимым сегментного регистра, сдвинутого относительно ЕА влево на 4 бита, как показано на рис. 7.

Если, например, содержимое сегментного регистра данных (DS)=248Ah, а указателя памяти (SI)=143Bh, то физический адрес будет равен 25CDBh.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Структурная схема МП К1810ВМ86

Адрес Память

Сегмент. адрес х 2⁴ 24BA0

Сегмент

Эффект. адрес Е 143В

СМ 64К

Физический адрес 25СD8В Операнд

Рис. 7. Вычисление физического адреса

Программная модель МП К1810ВМ86

В программной модели МП (рис. 8) можно выделить четыре группы регистров: регистры данных, регистры сегментов, регистры указателей SP,BP и индексов SI, DI, регистр признаков F. Регистры указателей и регистры данных относят к регистрам общего назначения (РОН).

Регистры

данных

Регистры

указатели

Регистры

сегментов

Указатель команд

Регистр признаков

Рис. 8. Программная модель МП К1810ВМ86

В зависимости от того, чем оперирует команда: словами или байтами регистры данных можно рассматривать как четыре 16-битных (АХ, В.Х. СХ, DX) или как восемь 8-битных регистров (АН, ВН, CH, DH, AL, BL,CL,DL). L и Н означают младшие (Low) и старшие (High) байты 16-битных регистров. Каждый из них помимо общих выполняет и специализированные функции: АХ, AL-аккумулятор, ВХ - базовый регистр и т.д.

Память микросистемы па базе МП К1810ВМ86 содержит сегменты по 64 Кбайт. МП может иметь дело одновременно с четырьмя типами сегментов: кода (команд) CS, данных DS, стека SS и дополнительного сегмента данных ES.

Регистр CS указывает на сегмент, содержащий текущую выполняемую команду. Для вычисления адреса следующей (с учетом очереди команд) исполняемой команды МП добавляет к содержимому CS, умноженному на 2⁴ содержимое указателя команд IP.

Регистр SS указывает на текущий сегмент стека, регистр сегмента данных DS - на текущий сегмент данных, обычно содержащий используемые в программе данные, а регистр ES - на текущий дополнительный сегмент, который используется для выполнения операций над цепочками.

Регистры указателей SP,ВР и индексов SI, DI предназначены для хранения внутрисегментных смещений и обеспечивающих косвенную адресацию данных в пределах текущего сегмента, но могут использоваться и как регистры данных.

Указатель команд IP адресует следующую команду программы (с учётом очереди команд) и сегменте кода CS (ведет себя как счетчик команд СК).

Регистр признаков F (рис. 9).

Переполнение Перенос

Признаки Четность

управления Вспомогательный перенос

работой МП Нуль

Знак

Рис. 9. Формат регистра признаков.

2. Практическая часть

2.1 Задание

Регистровая модель МП для выполнения операции приведена на рис. 10.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Регистровая модель.

Программа вычисления выражения приведена в таблице 1, трасса программы - в таблице 2.

Таблица 1. Программа вычисления выражения M=2K-2R+N-10.

Таблица 2. Трасса программы

Список литературы

1. Организация ЭВм и систем: Методические указания к курсовой работе /Рязан. гос. радиотехн. акад.; Сост. Г.А. Новиков, А.Г. Шевяков. Рязань, 2002. 60 с.

2. Информатика, ч.I: Методические указания к лабораторным работам / Сост. Н.И. Иопа. - Рязань: РГРТА 2002.

3. Информатика. Базовый курс / С.В. Симонович и др. СПб.: Питер, 2001, стр.114-120.

4. Шафрин Ю.А. Информационные технологии. М.: Лаборатория Базовых знаний, 1998, стр. 164-179.

Размещено на Allbest.ru