Архитектура Эвм

Подводя итог, еще  раз подчеркнем, что основной набор  команд довольно слабо изменился  в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения. 

Команда ЭВМ  обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова; операционная часть имеется, всегда. 

Код операции можно  представить себе как некоторый  условный номер в общем списке системы команд. В основном этот список построен в соответствии с  определенными внутренними закономерностями, хотя они не всегда очевидны. 

Адресная часть  обладает значительно большим разнообразием  и ее следует рассмотреть подробнее. 

Прежде всего  отметим, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости  от числа участвующих в них  операндов. 

Первые ЭВМ  имели наиболее простую и наглядную  трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить  в адрес A3. Если для операции требовалось  меньшее число адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и A3, а содержимое А2 не имело никакого значения. 

Трехадресная  команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина  становилась непомерно большой. Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Отсюда следует, например, что для скромного ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов, что для технической реализации не очень удобно. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов. 

Дальнейшее упрощение  команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой  ЭВМ на конкретном простом примере. Пусть надо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ А1 и А2, а сумму поместить в ячейку с адресом A3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три команды: 

* извлечь содержимое  ячейки А1 в сумматор; 

* сложить сумматор  с числом из А2; 

* записать результат  из сумматора в A3. 

Может показаться, что одноадресной машине для решения  задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной. На самом  деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно спланировать программу  вычисления выражения А5 = (А1 + А2)*АЗ/А4 и вы обнаружите, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных. Таким образом, одноадресная машина в чем-то даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов. 

Ради полноты  изложения следует сказать о  возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти - стек. Понимание  принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ практически не применяются. Поэтому ограничимся лишь упоминанием того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (например, типа «БЗ-21» и «БЗ-34» и им подобных). 

До сих пор  в описании структуры машинной команды  мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ  более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в  ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов. 

Очень часто  программа предназначалась для  обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных  ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом, модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений. 

Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п. 

В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная  порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько типов данных: символы текста (1 байт), целые числа (2 байта), вещественные числа обычной или двойной точности (4 или 8 байт соответственно). В связи с этим была введена новая условная единица измерения информации - машинное слово. Оно равнялось 4 байтам и соответствовало длине стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относиться к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно используется младший байт, имеющий наименьший номер). Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем. 

Размер машинного  слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения  этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения  из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели «ЕС-1022» имело 16 двоичных разрядов, «ЕС-1033» - 32 разряда, а «ЕС-1050» - 64 разряда. В то же время за одно обращение к оперативной памяти в «ЕС-1022» и «ЕС-1033» выбиралось 4 байта, в «ЕС-1050» - 8 байт (а в «ЕС-1045» - 16 байт). Таким образом, разнообразие цифр свидетельствует, что 32 разряда (4 байта) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации. 

В машинах третьего поколения появились и еще  несколько особенностей: разная длина  команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.

Заключение 
 

Вначале работы была поставлена цель изучить архитектуру  ЭВМ. В результате можно сделать ряд выводов. 

Во-первых, определил  понятие архитектуры ЭВМ. «Архитектура-это  наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов». 

Во-вторых, изучил учебную литературу по теме «Архитектура ЭВМ». 

В-третьих, изучил развитие внутренней структуры ЭВМ. Внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась, и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее  большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

Список литературы 

1. А.В. Могилёв,  Н.И. Пак, Е.К. Хённер Информатика: - М., 1999; 816 с. 

2. Частиков А.П.  Журнал «Информатика и образование», 1996.3. Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. - М.: Знание, 1975. 

4. Лин В. PDP-11 и  VAX-11. Архитектура ЭВМ и программирование  на языке ассемблера. - М.: Радио  и связь, 1989.5. Смит Б.Э., Джонсон  М.Т. Архитектура и программирование процессора INTEL 80386. - М.: Конкорд. 1992. 

6. «Справочник  необходимых знаний» / Кондрашов,  Москва: 2000. - 608-613 с.