Архитектура ЭВМ: Учебное пособие

М инисте р ство о б р а зо ва ния Р о ссийско й Ф е де р а ции В о р о не ж ский го суда р стве нный униве р сите т А.П.То лсто б р о в

А Р ХИ ТЕ К ТУР А

ЭВ М У ч е бное п ос обие Н аправ л е ни е по д го то в ки д и пл о м и ро в а нно го спе ци ал и ста 654700 – «И нф о рм аци о нны е си сте мы » (спе ци ал ьно сть 07900) и направ л е ни е по д го то в ки бакал ав ро в 511800 – «М ате м ати ка. Ко м пьюте рны е на уки »

В о р о не ж 2004

У Д К 681.31 Ре ко м е нд о в ано на уч но -м е то д и ч е ски м со в е то м ф акул ьте та ко м пьюте рны х наук Во ро не жско го го суд арств е нно го уни в е рси те та.

В по со би и рассм атри в аются о сно в ны е при нци пы по стро е ни я Э ВМ с ф о н-не йм ано в ско й арх и те ктуро й: структура це нтрал ьно го про це ссо ра, си сте м а ко м анд , о ргани заци я в в о д а-в ы в о д а, управ л е ни е пам ятью. О но пре д назнач е но д л я и спо л ьзо в ани я в кач е ств е уч е бны х м ате ри ал о в по д и сци пл и не «Арх и те ктура Э ВМ », и зуч ае м о й студ е нтам и пе рв о го курса ф акул ьте та ко м пьюте рны х наук, и яв л яе тся в в о д ны м курсо м д л я ци кл а д и сци пл и н, св язанны х с про грам м и ро в ани е м и и спо л ьзо в ани е м в ы ч и сл и те л ьно й и м и кро про це ссо рно й те х ни ки . Со став и те л ь – А.П .Т о л сто бро в По со би е по д го то в л е но на каф е д ре И нф о рм аци о нны х си сте м ф акул ьте та ко м пьюте рны х наук Во ро не жско го го суд арств е нно го уни в е рси те та Ре ко м е нд уе тся д л я студ е нто в 1 курса направ л е ни я по д го то в ки д и пл о м и ро в анно го спе ци ал и ста 654700 – «И нф о рмаци о нны е си сте м ы », спе ци ал ьно сти 07900 – «И нф о рм аци о нны е си сте м ы и те х но л о ги и » по д и сци пл и не «Арх и те ктура Э ВМ и си сте м » и направ л е ни я по д го то в ки бакал ав ро в 511800 – «М ате м ати ка. Ко м пьюте рны е науки » по д и сци пл и не «Арх и те ктура Э ВМ и си сте м но е про грам м но е о бе спе ч е ни е »

© Т о л сто бро в Ал е ксанд рПа в л о в и ч , 2004 © Во ро не жски й го суд арств е нны й уни в е рси те т, 2004

3 В в е д е ни е За по л ув е ко в ую и сто ри ю разв и ти яЭ ВМ см е ни л о сь не ско л ько по ко л е ни й э л е ктро нны х в ы ч и сл и те л ьны х си сте м , кард и нал ьны м о бразо м и зме ни л ась и х те хно л о ги яи э л е м е нтнаябаза, и х кач е ств е нны е характе ри сти ки , знач и те л ьно расш и ри л ась сф е ра при м е не ни я ко м пьюте рно й те х ни ки . Э ти ф акто ры , е сте ств е нно , усл о жняют и зуч е ни е э то го в и д а те хни ки . И нте ре сно , о д нако , ч то , не см о тря на м но же ств о по ко л е ни й, се м е йств , ти по в и ко нкре тны х ре ал и заци й Э ВМ , в о сно в е бо л ьш и нств а и з ни х л е жат о бщ и е при нци пы , сф о рм ул и ро в аны е в 1946 го д у ам е ри кански м уч е ны м Д жо но м ф о н-Н е йм ано м . Важно сть и зуч е ни я э ти х при нци по в при по д го то в ке спе ци ал и сто в в о бл асти ко м пьюте рны х те хно л о ги й о бусл о в л е на не то л ько те м, ч то о ни д о си х по р л е жат в о сно в е бо л ьш и нств а со в ре м е нны х Э ВМ и ко мпьюте рны х си сте м . И х знани е не о бх о д и м о д л яуспе ш но го по ни м ани яд руги х уже «не ф о нне йм а но в ски х » арх и те ктурны х при нци по в и те хни ч е ски х ре ш е ни й, и спо л ьзуе м ы х при по стро е ни и и разв и ти и со в ре м е нны х ко м пьюте рны х устро йств и си сте м , по ни мани я не о бхо д и м о сти и усл о в и й и спо л ьзо в ани я э ти х но в ы х при нци по в , д о сти гае м о го при это м э ф ф е кта и це ны , ко то рую при х о д и тся пл ати ть д л яе го д о сти же ни я. Сл о жно сть со в ре м е нны х в ы ч и сл и те л ьны х маш и н зако но м е рно при в е л а к по няти ю а рхит ек т у ра Э В М , о х в аты в ающ е го о пи сани е при нци по в о ргани заци и ци ф ро в о й в ы ч и сл и те л ьно й си сте м ы на не ко то ро м о бщ е м уро в не , о ри е нти ро в анно м в пе рв ую о ч е ре д ь на по л ьзо в ате л я, и нте ре сую щ е го ся гл ав ны м о бразо м в о зм о жно стям и м аш и ны , а не д е тал ям и е е те х ни ч е ско го и спо л не ни я. Э то т уро в е нь не о тражае т таки е про бл е м ы , как управ л е ни е и пе ре д ач а д анны х в нутри про це ссо ра, ко нструкти в ны е о со бе нно сти л о ги ч е ски х схе м и спе ци ф и ка те хно л о ги и и х про и зв о д ств а. В круг рассм атри в ае м ы х в о про со в в хо д ят спо со бы пре д став л е ни е и нф о рм аци и в Э ВМ и при нци пы по стро е ни я устро йств д л я в ы по л не ни я ари ф м е ти ч е ски х и л о ги ч е ски х о пе раци й, структура це нтрал ьно го про це ссо ра Э ВМ , про бл е м ы ко д и ро в ани я и в ы по л не ни я ко м анд Э ВМ , о ргани заци я пам яти Э ВМ и си сте м ы ад ре саци и , управ л е ни е пам ятью , о ргани заци я со в м е стно й рабо ты в хо д ящ и х в Э ВМ устро йств , о пе раци и в в о д а-в ы в о д а и нф о рмаци и и т.д . Знани е э ти х аспе кто в о ргани заци и Э ВМ не о бхо д и м о д л я о бе спе ч е ни я э ф ф е кти в но го и спо л ьзо в ани я в се х в о зм о жно сте й ко нкре тно й ко м пьюте рно й си сте м ы , при про грам м и ро в ани и на м аш и нно -о ри е нти ро в анно м язы ке (на при м е р, в м аш и нны х ко д ах, на язы ке ассе м бл е ра).

4 1. П ринцип ы организации Э В М с ф он-нейм анов с кой архитектурой 1.1. О бобще нная с труктура Э В М Т и пи ч ная ци ф ро в ая Э ВМ в кл юч ае т в се бя три о сно в ны х ко м по не нта: процессор, па м ят ь ивнешние у ст ройст ва . Ее о бо бщ е ннаябл о к-схе м а пре д став л е на на ри с.1.1. П а м я т ь Э ВМ П р оцес с ор В неш ние ус т р ой с т ва Ри с.1.1 П роцессор и л и цент ра льный процессор (Ц П) – э то устро йств о , пре д назнач е нно е д л я в ы по л не ни я о сно в ны х о пе раци й по о брабо тке д анны х, ари ф м е ти ч е ски х и л о ги ч е ски х о пе раци й над ч и сл ам и , упра в л е ни ярабо то й д руги х ч асте й Э М . П а м ят ь и л и опера т ивное за пом ина ющее у ст ройст во (ОЗУ) – пре д назнач е но д л я хране ни яко д о в ко м анд , со став л яю щ и х в ы по л няе м ую Э ВМ про грам м у, и д анны х и л и о пе ранд о в , т.е . д в о и ч ны х ч и се л и л и ко д о в , над ко то ры м и про це ссо рЭ ВМ в ы по л няе т зад ав ае мы е ко м анд ам и о пе раци и . Ч е ре з у ст ройст ва ввод а -вывод а и л и внешние (периф ерийные) у ст ройст ва о сущ е ств л яе тсяв заи м о д е йств и е Э ВМ с в не ш ни м м и ро м . Ко м по не нты Э ВМ св язаны д руг с д руго м с по м о щ ью спе ци ал ьно й шины и л и к а на ла Э ВМ , пре д став л яющ и х со бо й набо рл и ни й св язи , пре д назнач е нны х д л я пе ре д ач и и нф о рм аци о нны х и управ л яющ и х си гнал о в м е жд у ко м по не нтам и Э ВМ . При в е д е нная схе м а яв л яе тся насто л ько при в ы ч но й, ч то каже тся по ч ти о ч е в и д но й. Од нако , со в се м не празд ны м и яв л яются в о про сы , по ч е м у ти пи ч ная Э ВМ в кл юч ае т в се бя указанны е ко м по не нты , яв л яются л и о ни о бязате л ьны м и , в о зм о жны л и д руги е спо со бы по стро е ни я Э ВМ , како в о д о л жно бы ть устро йств о о сно в ны х э л е м е нто в Э ВМ , нако не ц, ч то же о бщ е го м е жд у пе рв ы м и Э ВМ и со в ре ме нны м и ко м пьюте рам и .

5 В 1946 го д у Д жо н ф о н-Н е йм ан в м е сте с группо й рабо тав ш и х в м е сте с ни м уч е ны х сф о рм ул и ро в ал о сно в ны е при нци пы , ко то ры м д о л жно уд о в л е тв о рять устро йств о , по л уч и в ш е е назв ани е элек т р онна я вычислит ельна я м а шина и л и Э В М . Э ти при нци пы о казал и сь насто л ько о сно в о по л агаю щ и м и , ч то и д о насто ящ е го в ре м е ни , не см о тряна см е ну бо л ьш о го ч и сл а по ко л е ни й Э ВМ , бо л ьш и нств о и з ни х о сно в ано на и спо л ьзо в ани и э ти х при нци по в , по л уч и в ш и х назв ани е ф он-нейм а новск их принциповорга низа цииЭ В М . 1.2. П ринцип ы организации Э В М При нци пы , ко то ры м уд о в л е тв о ряют Э ВМ с ф о н-не йм а но в ско й арх и те ктуро й, закл юч аютсяв сл е д ующ е м : 1. Э В М – эт о м а шина с х рани м ой (в па м ят и Э В М ) п рограм м ой , пр ед ст а вленной ввид е послед ова т ельност ик ом а нд . 2. В ыполняем ые Э В М ком анды и оп еранды , т .е. д а нные, на д к от орым и выполняет ся за д а ва ем а я к ом а нд ой опера ция, пред ст а влены в Э В М в вид е двои чного кода с опред еленным к оличест вом р а зряд ов. 3. П ам ят ь ЭВМ орга низова на в вид е п оследоват ель ност и зап ом и нающ и х ячеек, в к а ж д ой из к от орых м ож ет хра нит ься (за пом ина т ься) нек от орый д воичный к од – число илик од сим вола а лф а вит а , пред ст а вляющие обра ба т ыва ем ые д а нные, к од к ом а нд ы Э В М . В к онк рет ный м ом ент вр ем ени м ож но обрат и т ь ся д ля за писи или чт ения к любой одной и зэт и х ячеек незави си м о от ее расп олож ени я в п ам ят и , у к а за в а д рес (поряд к овый ном ер) эт ой ячейк и. Та к им способом орга низова нна япа м ят ьна зыва ет ся п ам ят ь ю с п рои зволь ны м дост уп ом . 4. В Э В М использу ет ся общ ая п ам ят ь к а к д ля хра нения данны х , т а к и д ля хра нения ком анд. П ри эт ом в к од а х са м их д а нных и к ом а нд от су т ст ву ют призна к и, позволяющие явно от лича т ь их д ругот д ру га . П роцессор ра злича ет д а нные и к ом а нд ы т ольк о по к онт ек ст у выполняем ой програ м м ы. 5. П редназначени е данны х , и х т и п и сп особ и сп оль зовани я т акж е явно не указы вают ся. О ни опред еляют ся и ра злича ют ся по к онт ек ст у выполняем ой програ м м ы.

6 6. В к ла ссическ ой ф он-нейм а новск ой Э В М использу ет ся од ин цент ра льный процессор. 1.3. Контрольны е в оп рос ы 1. Объясни те , в ч е м со сто и т при нци пи ал ьны й см ы сл ф о рм ул ы э то м аш и на с х рани м о й про грамм о й»?

«Э ВМ –

2. Какая си сте м а сч и сл е ни я и по ч е м у в ы брана в ф о н-не йм ано в ско й Э ВМ д л яв нутре нне го пре д став л е ни яч и се л ? 3. Пре д став л е ни е в пам яти ф о н-не йм ано в ско й Э ВМ д анны х и ко м анд . 4. Ч то тако е про грам м а ЭВМ ? В како м в и д е и гд е о на д о л жна разм е щ аться, д л ято го ч то бы про це ссо рм о г е е в ы по л нять? 5. Д л я ч е го в Э ВМ нужна пам ять? Осо бе нно сти о ргани заци и пам яти ф о нне йм ано в ско й Э ВМ . 6. Ч то тако е «пам ять с про и зв о л ьны м д о ступо м », в о зм о жны л и д руги е спо со бы д о ступа к яч е йкам пам яти , д руги е спо со бы о ргани заци и пам яти ? 7. Ч то тако е ад ре с яч е йки пам яти Э ВМ ? 8. В Э ВМ с ф о н-не йма но в ско й арх и те ктуро й д анны е и ко м а нд ы хранятся: a) разд е л ьно в пам яти ко м анд и пам яти д анны х ; b) в о бщ е й пам яти ; c) д анны е хранятся в пам яти Э ВМ , а ко м анд ы по ступают о т в не ш ни х устро йств ; d) ко м анд ы нахо д ятся в пам яти Э ВМ , а д анны е при ни м аются и з по рто в в не ш ни х устро йств ; e) в аш в ари а нт. В ч е м пре и м ущ е ств о в ы бранно го Вам и ре ш е ни я? 9. М о жно л и по со д ержи м о м у яч е йки пам яти ф о н-не йм ано в ско й Э ВМ о пре д е л и ть, ч то в не й нахо д и тся: ко м анд а, це л о е ч и сл о бе з знака, ч и сл о со знако м и т.д ., е сл и д а, то каки м о бразо м ? 10. Каки м о бразо м про це ссо рф о н-не йм ано в ско й ЭВМ о пре д е л яе т, и з каки х яч е е к пам яти сл е д уе т в ы би рать ко м анд ы , а и з каки х д а нны е ?

7 2. П ред с тав ле ние инф ормации в Э В М . Сис те м ы с ч ис ления и ариф м е тич ес кие оп е рации над ч ис лам и 2.1. В ид ы инф орм ации Ф о н-не ймано в ски й ко м пьюте р пре д став л яе т со бо й си сте м у о брабо тки и нф о рм аци и , пре д став л е нно й в в и д е д в о и ч но го ко д а, то е сть в ы раже нно й в в и д е по сл е д о в ате л ьно сти нул е й и е д и ни ц. Э то о бусл о в л е но те м , ч то д л я пре д став л е ни ятако го ко д а м о жно и спо л ьзо в ать ф и зи ч е ски е про це ссы и о бъе кты , ко то ры е м о гут нах о д и ться в д в ух усто йч и в ы х со сто яни ях. Т аки е про це ссы и о бъе кты ре ал и зуются го разд о про щ е , ч е м и м е ющ и е бо л ьш е е ч и сл о со сто яни й. Кро м е то го , сущ е ств е нно про щ е ре ал и зуются устро йств а, о сущ е ств л яю щ и е о брабо тку таки м о бразо м пре д став л е нно й и нф о рмаци и , в ч астно сти , ари ф ме ти ч е ски х о пе раци й над ч и сл ам и . Од и н д в о и ч ны й разряд по зв о л яе т пре д став и ть м и ни м ал ьную «по рци ю» и нф о рм аци и , рав ную о д но м у бит у . Во се м ь д в о и ч ны х разряд о в о бразуют ба йт . Ш е стнад цать д в о и ч ны х разряд о в о бразуют слово, со сто ящ е е , в св о ю о ч е ре д ь, и з м ла д шего (прав о го ) и ст а ршего (л е в о го ) байто в . разряд ы (би ты )

старш и й

м л ад ш и й

байты

сл о в о Ри с.2.1 По сл е д о в ате л ьно сть д в о и ч ны х разряд о в м о же т бы ть и спо л ьзо в а на д л я ко д и ро в ани яразл и ч ны х в и д о в и нф о рм аци и . • Логическ а я инф орм а ция. В э то м сл уч ае д в а со сто яни я кажд о го д в о и ч но го разряд а пре д став л яют со бо й о д но и з со сто яни й л о ги ч е ско й пе ре м е нно й – ис т ина (true) и л и ложь (false). • Алф а вит но-сим вольна я инф орм а ция. Д л яко д и ро в ани яси м в о л о в како го -л и бо ал ф ав и та и спо л ьзуе тся о пре д е л е нно е ко л и ч е ств о д в о и ч ны х разряд о в . Н або ри з n д в о и ч ны х разряд о в по зв о л яе т пре д став и ть ал ф аn в и т и з 2 си м в о л о в . Обы ч но д л я ко д и ро в ани я ал ф ав и тно -ци ф ро в ы х

8 си м в о л о в и спо л ьзуе тся байт. С по м о щ ью байта м о жно ко д и ро в ать си м в о л ы ал ф ав и та, со сто ящ е го и з 28 = 256 разл и ч ны х си м в о л о в . При э то м в о зм о жны и практи ч е ски и спо л ьзуются разл и ч ны е ко д и ро в ки и л и ко д о в ы е табл и цы со о тв е тств и яд в о и ч ны х ко д о в ко нкре тны м си м в о л ам : ASCII, КОИ 8, DOS, Windows и д руги е , ч то со зд ае т на практи ке о пре д е л е нны е труд но сти при и нте рпре таци и ал ф ав и тно -си м в о л ьно й и нф о рм аци и в разл и ч ны х про грам м ны х си сте м ах . • Числова яинф ор м а ция. Д в о и ч ны й ко д пре д став л яе т со бо й ту и л и и ную ф о рм у ч и се л (бе з знака и со знако м , це л о е , д ро бно е с ф и кси ро в анно й и л и пл ав ающ е й то ч ко й). 2.2. В ы бор с ис тем ы с ч ис ле ния д ля п ред с тав ления ч ис ел в Э В М Общ е при нято й в ч е л о в е ч е ско й практи ке ф о рм о й пре д став л е ни яч и се л яв л яе тся и спо л ьзо в ани е по зи ци о нно й си сте м ы сч и сл е ни я. В по зи ци о нно й си сте м е сч и сл е ни я в е с, т.е . знач и м о сть кажд о й ци ф ры , со став л яю щ е й ч и сл о , о пре д е л яе тся е го по зи ци е й в нутри ч и сл а. В со о тв е тств и и со св о е й по зи ци е й кажд ая ци ф ра ч и сл а ум но жае тся на ко э ф ф и ци е нт, пре д став л яю щ и й со бо й так назы в ае м о е о сно в ани е си сте м ы сч и сл е ни я, в о зв е д е нно е в сте пе нь, рав ную но м е ру по зи ци и д анно й ци ф ры сл е в а направ о . Н а при м е р: 572410 = 5· 103 + 7· 102 + 2· 101 + 4· 100

– це л о е ч и сл о в д е сяти ч но й си сте м е сч и сл е ни я

34,8510 = 3· 101 + 4· 100 + 8· 10-1 +5· 10-2

– д ро бно е ч и сл о в д е сяти ч но й си сте м е

27318 = 2· 83 + 7· 82 + 3· 81 + 1· 80

– це л о е ч и сл о в в о сьм е ри ч но й си сте ме

4

3

2

1

0

110102 = 1· 2 + 1· 2 + 0· 2 + 1· 2 + 0· 2

– це л о е ч и сл о в д в о и ч но й си сте м е сч и сл е ни я

Д л я пре д став л е ни я ч и се л в Э ВМ бы л а в ы брана д воична я сист ем а счисления. Э та си сте м а, яв л яясь наи бо л е е про сто й, и спо л ьзуе т то л ько д в е ци ф ры – 0 и 1.

9 В табл и це 2.1 при в е д е но в заи м но е со о тв е тств и е ч и се л , пре д став л е нны х в д е сяти ч но й и д в о и ч но й си сте м ах сч и сл е ни я, а также в о сьм е ри ч но й и ш е стнад цате ри ч но й си сте м ах. Т абл и ца 2.1 Дес я т ична я 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Двоична я 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001 10010 10011 10100 10101 10110 10111 11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 11111 100000

В ос ь м ер ична я 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27 30 31 32 33 34 35 36 37 40

Ш ес т на дца т ер ична я 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F 20

Двоичнодес я т ична я

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 11 11 11

0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 0001 0010

При ч и на и спо л ьзо в ани я в о сьм е ри ч но й и ш е стнад цате ри ч но й си сте м в ко м пьюте рны х при л о же ни ях л е жи т в про сто те и х пе ре в о д а в д в о и ч ную си сте м у и о братно . В табл и це при в е д е но также пре д став л е ни е ч и се л в д в о и ч но д е сяти ч но й си сте м е .

10 2.3. П ре д с тав ле ние в Э В М целы х д в оич ны х ч ис ел без знака Обы ч но й м о д е л ью пре д став л е ни я це л ы х ч и се л яв л яе тся бе ско не ч ная ч и сл о в ая о сь (ри с.2.2), на ко то ро й при д в и же ни и сл е в а направ о ч и сл а по сл е д о в ате л ьно ув е л и ч и в аютсяна е д и ни цу. -7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Ри с.2.2 Т ак как в ф о н-не йм ано в ско й Э ВМ д л япре д став л е ни я ч и се л и спо л ьзуе тся ко не ч но е ч и сл о разряд о в , то , сл е д о в ате л ьно , и в се м но же ств о пре д став и м ы х в Э ВМ це л ы х ч и се л также о казы в ае тся ко не ч ны м . В св язи с э ти м пре д став л яющ ая э ти ч и сл а ч и сл о в ая о сь как бы зам ы кае тся сам а на се бя, как э то по казано на ри с.2.3 д л яч е ты ре хразряд ны х д в о и ч ны х ч и се л . 13 1101

14 1110

15 1111

0 0000

1 0001

2 0010

12 1100

0011 3

11 1011

0100 4 1010

1001

1000

0111

0110

0101

10

9

8

7

6

5

Ри с.2.3 Д е л о в то м , ч то в аппаратны х сре д ств ах Э ВМ , о пе ри рующ и х с д в о и ч ны м и ч и сл ам и с ко не ч ны м ч и сл о м разряд о в , и м е ютсяф и зи ч е ски е э л е м е нты д л я пре д став л е ни я и о то браже ни ято л ько э ти х разряд о в . По э то м у о пе раци я при бав л е ни я е д и ни цы к наи бо л ьш е м у пре д став и м о м у в д анно м при м е ре ч и сл у 1111 при в е д е т к пе ре хо д у не к ч и сл у 10000, а к ч и сл у 0000, т.к. в о зни кающ и й в ре зул ьтате пе ре но са пяты й разряд аппаратуро й не ф и кси руе тся и д л я по л ьзо в ате л яни каки м о бразо м не про яв л яе тся.

11 2.4. П ре д с тав ле ние в Э В М целы х ч ис ел с о знаком Оч е в и д но , ч то при и спо л ьзо в ани и д л я пре д став л е ни яч и се л со знако м ко не ч но го ко л и ч е ств а д в о и ч ны х разряд о в как о три цате л ьны е , так и по л о жи те л ьны е д в о и ч ны е ч и сл а м о гут бы ть пре д став л е ны то л ько э кзе м пл ярам и и з и ме ющ е го ся ко не ч но го набо ра (м но же ств а) ч и се л . Во зм о жная ко нкре тная ф о рм а пре д став л е ни я в Э ВМ ч и се л со знако м , т.е . в заи м но го со о тв е тств и я д в о и ч ны х ко д о в с ф и кси ро в анны м ко л и ч е ств о м разряд о в ко нкре тны м по л о жи те л ьны м и о три цате л ьны м ч и сл ам , мо же т бы ть разл и ч но й. Ко нкре тны й в ы бо р э то й ф о рм ы и м е е т о ч е нь бо л ьш о е знач е ни е , т.к. о т э то го в бо л ьш о й сте пе ни о пре д е л яе т ал го ри тм в ы по л не ни я о сно в ны х ари ф м е ти ч е ски х о пе раци й над ч и сл ам и со знако м и , сл е д о в ате л ьно , сл о жно сть ре ал и заци и устро йств , о сущ е ств л яющ и х в Э ВМ э ти о пе раци и . Обы ч но д л я пре д став л е ни я о три цате л ьны х ч и се л в ЭВМ и спо л ьзуют так назы в ае м ы й д воично-д ополнит ельный к од . При м е р тако й ф о рмы пре д став л е ни я ч и се л со знако м д л я ч е ты ре х разряд ны х ч и се л м о же т бы ть нагл яд но пре д став л е н в в и д е зам ы кающ е йсясам о й на се бяч и сл о в о й о си , как э то по казано на ри с.2.4. -3 1101 -4 1100 -5 1011

-2 1110

-1 1111

0 0000

О три цате л ьны е ч и сл а 1010 -6

1001 -7

1 0001

2 0010

П о л о жи те л ьны е ч и сл а

1000 -8

0111 7

0110 6

0011 3 0100 4

0101 5

Ри с.2.4 Ал го ри тм по л уч е ни я д в о и ч но -д о по л ни те л ьно го ко д а о три цате л ьно го ч и сл а и з со о тв е тств ующ е го е м у по л о жи те л ьно го ч и сл а д о стато ч но про ст. – В на ча ле след у ет п рои нверт и роват ь все ра зряд ы исход ного полож ит ельного числа , т .е. за м енит ь в нем все ну ли на ед иницы, а ед иницы на ну ли, после чего к резу льт а т у п ри бави т ь еди ни цу.

12 Н апри м е р: д л я4-разряд ны х ч и се л

д л я8-разряд ны х ч и се л

+310 = 00112 1100 + 1 –310 = 11012

+310 = 000000112 +

11111100 1

Како в ы св о йств а тако го пре д став л е ни я д в о и ч ны х ч и се л со знако м ? Как в и д но и з д и аграм м ы на ри с.2.4: 1. П олож ит ельные числа пред ст а вляют ся обычным обра зом ; 2. У всех полож ит ельных чисел ст а рший р а зряд ра вен ну лю, а у всех от рица т ельных ра вен ед инице; 3. П ри переход е по ча совой ст релк е от од ного числа к д ру гом у , к а к д ля полож ит ельных, т а к и д ля от рица т ельных чисел, к а ж д ое след у ющее число на ед иницу больше пред ыд у щего, к а к эт о им еет м ест о д ля обычного пред ст а влениячиселна беск онечной числовой оси; 4. С у м м а полож ит ельного числа и ра вного ем у по а бсолют ной величине от рица т ельного числа ра вна ну лю. Н аи бо л е е в ажны м д о в о д о м в по л ьзу тако го пре д став л е ни я ч и се л со знако м яв л яе тся то , ч то ари ф м е ти ч е ская о пе раци я в ы ч и тани я м о же т бы ть зам е не на в э то м сл уч ае о пе раци е й ал ге браи ч е ско го сл о же ни яч и се л со знако м . Рассм о три м при м е ры : 1)

3+4=7

+ 3 0011 + 4 +0100 + 7 0111

2)

6 – 3 = 6 + (–3) = –3 + 6 –3 + 3

в о зни кш и й в ре зул ьтате пе ре но са л и ш ни й разряд и гно ри руе тся

11

0110 +1101 1 0011

ч и сл о –3 в д в .-д о п. ко д е д в . ко д ч и сл а +3

13 3)

–2 – 5 = (–2) + ( –5) = –7

1110 1011 1 1001 +

разряд не ф и кси руе тся

д в .-д о п. ко д ч и сл а –2 д в .-д о п. ко д ч и сл а –5 д в .-д о п. ко д ч и сл а –7

4)

4 – 7 = 4 + (–7) = –7 +

0100 1001 1101

+4 д в .-д о п. ко д ч и сл а –7 д в .-д о п. ко д ч и сл а –3

И з сказанно го сл е д уе т, ч то при тако м пре д став л е ни и ч и се л со знако м в Э ВМ м о жно о бо йти сь бе з и спо л ьзо в ани я устро йств а в ы ч и тани я ч и се л , и спо л ьзуяустро йств о сл о же ни я, как д л яв ы по л не ни яо пе раци и сл о же ни я, так и д л я в ы ч и тани я ч и се л . Уч и ты в ая, ч то о пе раци и ум но же ни я и д е л е ни я также м о гут бы ть ре ал и зо в аны с по м о щ ью ал го ри тм о в , и спо л ьзующ и х о пе раци и сл о же ни я и в ы ч и тани я, ста но в и тся ясны м , ч то д л я ре ал и заци и бл о ка Э ВМ , о сущ е ств л яющ е го ари ф м е ти ч е ски е о пе раци и над д в о и ч ны м и ч и сл ам и , при нци пи ал ьны м яв л яе тся ре ал и заци я и м е нно у ст ройст ва слож ения и л и су м м а т ора . Сл е д уе т о брати ть в ни м а ни е , ч то , х о тя у в се х о три цате л ьны х ч и се л , пре д став л е нны х д в о и ч но -д о по л ни те л ьны м ко д о м , старш и й разряд рав е н е д и ни це , э то т разряд не являет ся зна к ом числа , э то тако й же по л но прав ны й разряд д в о и ч но го ч и сл а, уч аств ующ и й в о пе раци и сл о же ни я, как и о стал ьны е разряд ы . 2.5. О с обе ннос ти в ы п олнения в Э В М с ложения д в оич ны х ч ис ел без знака и с о знаком Ко не ч но е ч и сл о разряд о в и спо л ьзуе м ы х в Э ВМ д в о и ч ны х ч и се л м о же т при в о д и ть к по яв л е ни ю о ш и бо к при в ы по л не ни и ари ф м е ти ч е ски х о пе раци й. Рассм о три м э ти си туаци и на при м е ре сл о же ни я 4-разряд ны х д в о и ч ны х ч и се л . 1. При м е ры сл о же ни яч и се л бе з знака. а) б) 3 0011 6 0110 + + + + 2 0010 7 0111 ре зул ьтат ре зул ьтат 5 0101 13 1101 прав и л ьны й прав и л ьны й

14 Н ако не ц,

10 + 11 21 разряд и гно ри руе тся

1010 1011 1 0101 +

+5 — ре зул ьтат не в е рны й

Э ти при м е ры и л л юстри руют сл е д ующ е е прав и л о : – если при слож ении д воичных чисел без зна к а происход ит перенос из ст а р шего ра зряд а , т о резу льт а т а риф м ет ическ ой опера ции ок а зыва ет ся неп рави ль ны м . 2. При м е ры сл о же ни яч и се л со зна к ом . а) б) 5 0101 –3 1101 – + + + 6 0110 6 1010 11 1011 д в .-д о п. ко д –9 1 0111 ч и сл а –5 д в . ко д пе ре но с и з (ре зул ьтат старш е го разряд а ч и сл а +7 не в е рны й) (ре зул ьтат (и гно ри руе тся) не в е рны й) в)

7 0111 + 7 0111 14 1110 пе ре но с в старш и й разряд

г)

+

1 6 0110 – + 1101 3 3 1 0011 пе ре но с и з старш е го разряд а (и гно ри руе тся) д)

д в .-д о п. ко д ч и сл а –2 (ре зул ьтат не в е рны й)

–5 1011 – + 6 1010 –11 1 0101 д в . ко д пе ре но с и з ч и сл а +5 старш е го разряд а (ре зул ьтат (и гно ри руе тся) не в е рны й)

пе ре но с в старш и й разряд д в .-д о п. ко д ч и сл а 3 (ре зул ьтат прав и л ьны й)

По сл е д ни е пять при м е ро в и л л юстри руют сл е д ую щ е е прав и л о : – если при слож ении д ву х д воичных чисел со зна к ом , пред ст а вленных в д воично-д ополнит ельном к од е, происход ит п еренос в ст арши й разряд (прим еры а и б) или перенос из ст а ршего ра зряд а (од ин из эт их переносов) (прим еры в иг), т о резу льт а т опер а цииполу ча ет ся неверны м ,

15 о д нако , – еслип ереносов нет илиим еют м ест о од новрем енно оба т а к их п ереноса (прим ер д ), т о результ а т опера цииок а зыва ет ся п рави ль ны м . Си туаци ю, ко гд а и м е е т м е сто о д и н и з пе ре но со в (пе ре но с в старш и й разряд и л и пе ре но с и з старш е го разряд а) о бы ч но назы в ают а риф м ет ическ им переполнением , нал и ч и е ко то ро го сл ужи т при зна ко м непра вильного в ы по л не ни яо пе раци и сл о же ни яч и се л со знако м. 2.6. Контрольны е в оп рос ы 1. Ско л ько ч и се л бе з знака м о жно пре д став и ть с по м о щ ью 16-ти д в о и ч ны х разряд о в ? - по л о жи те л ьны х ч и се л ? - о три цате л ьны х ? 2. Каки м о бразо м пре д став л яютсяв Э ВМ ч и сл а со знако м ? Обо снуйте в ы бо р тако го пре д став л е ни я. 3. Пе ре в е д и те в о сьм е ри ч но е ч и сл о 1573258 в ш е стнад цати разряд но е д в о и ч но е ч и сл о , укажи те м л ад ш и й и старш и й байты д в о и ч но го ч и сл а, запи ш и те тако е же ч и сл о (д в о и ч но е и в о сьм е ри ч но е ), но с про ти в о по л о жны м знако м . 4. Пе ре в е д и те в о сьм е ри ч но е ч и сл о 0127378 в ш е стнад цати разряд но е д в о и ч но е ч и сл о , укажи те м л ад ш и й и старш и й байты д в о и ч но го ч и сл а, запи ш и те тако е же ч и сл о (д в о и ч но е и в о сьм е ри ч но е ), но с про ти в о по л о жны м знако м. 5. Пе ре в е д и те ш е стнад цате ри ч но е ч и сл о A5C6 16 в ш е стнад цати разряд но е д в о и ч но е ч и сл о , укажи те м л ад ш и й и старш и й байты д в о и ч но го ч и сл а, запи ш и те тако е же ч и сл о (д в о и ч но е и ш е стнад цате ри ч но е ), но с про ти в о по л о жны м зна ко м . 6. Пе ре в е д и те ш е стнад цате ри ч но е ч и сл о FFAB16 в ш е стнад цати разряд но е д в о и ч но е ч и сл о , укажи те м л ад ш и й и старш и й байты д в о и ч но го ч и сл а, запи ш и те тако е же ч и сл о (д в о и ч но е и ш е стнад цате ри ч но е ), но с про ти в о по л о жны м зна ко м . 7. Ч то тако е пе ре но с и з старш е го разряд а? При в е д и те при м е р сл о же ни я д в о и ч ны х ч и се л , ко гд а в о зни кае т такаяси туаци я. 8. Ч то тако е пе ре но с в старш и й разряд ? При в е д и те при м е рсл о же ни яд в о и ч ны х ч и се л , ко гд а в о зни кае т такаяси туаци я.

16 9. Ч то тако е ари ф м е ти ч е ско е пе ре по л не ни е ? О ч е м го в о ри т в о зни кно в е ни е ари ф м е ти ч е ско го пе ре по л не ни я при в ы по л не ни и ари ф м е ти ч е ско й о пе раци и ? При в е д и те при м е р. 10. Отм е тьте , в каки х и з при в е д е нны х при м е ро в и м е ют м е сто : пе ре но сы старш е го разряд а, в старш и й разряд , ари ф м е ти ч е ско е пе ре по л не ни е : 01100110 + 01001100 = 00100110 + 01001100 = 11100110 + 01001100 = 10100110 + 11001100 =

из

11. При сл о же ни и д в ух ч и се л со знако м про и зо ш е л пе ре но с в старш и й разряд . Ч то м о жно сказать о прав и л ьно сти и л и не прав и л ьно сти ре зул ьтата сл о же ни я? 12. Отм е тьте , в каки х и з при в е д е нны х при м е ро в и м е ют м е сто : пе ре но сы и з старш е го разряд а, в старш и й разряд и ари ф м е ти ч е ско е пе ре по л не ни е : 01100110 + 01011100 = 10110110 + 11001100 = 11100110 + 01011100 = 00101110 + 01001100 = 13. При сл о же ни и д в ух ч и се л со знако м про и зо ш е л пе ре но с и з старш е го разряд а. Ч то м о жно сказать о прав и л ьно сти и л и не прав и л ьно сти ре зул ьтата сл о же ни я? Ч то м о жно сказать о б э то й си туаци и , е сл и скл ад ы в аются ч и сл а бе з знака? 14. При сл о же ни и д в ух ч и се л со знако м про и зо ш е л пе ре но с в старш и й разряд и пе ре но с и з старш е го разряд а. Ч то м о жно сказать о прав и л ьно сти и л и не прав и л ьно сти ре зул ьтата сл о же ни я?

17 3. П ринцип ы п ос троения ус тройс тв д ля ос ущ ес тв ле ния ариф ме тич ес ких и логич е с ких оп ераций над д в оич ны ми ч ис лам и 3.1. Реализация логич ес ких оп ераций И, ИЛИ, Н Е Д л я ре ал и заци и о пе раци ям и над д в о и ч ны м и ч и сл ам и , бо л е е про сты м и , ч е м ари ф ме ти ч е ски е , яв л яютсял о ги ч е ски е о пе раци и И, ИЛИ, Н Е. 1. Логичес ка я оп ер а ция И (конъ юнкция , логичес кое ум нож ение). Д в о и ч на я пе ре м е нная на в ы хо д е Z при ни м ае т знач е ни е И СТИ НА, о бо знач ае мо е «T» (True), то гд а и то л ько то гд а, ко гд а обе в хо д ны е пе ре м е нны е X и Y о д но в ре ме нно нахо д ятся в со сто яни и И СТИ НА. Есл и же х от я бы одна и з в хо д ны х пе ре м е нны х нахо д и тсяв со сто яни и ЛОЖЬ, о бо знач ае м о е «F» (False), д в о и ч наяпе ре м е ннаяна в ы хо д е также буд е т в со сто яни и ЛОЖЬ. Л о ги ч е ско е в ы раже ни е — Z = XΛ Y и л и X· Y , и л и X&Y X Y

И

X Z Y О бо знач е ни е на схе м ах

&

Z

Та блица ис т иннос т и

X 0 0 1 1

Y 0 1 0 1

Z 0 0 0 1

Ри с.3.1 2. Логичес ка я оп ер а ция ИЛИ (диз ъ ю нкция , логичес кое с лож ение). Д в о и ч ная пе ре м е нная на в ы хо д е Z при ни м ае т знач е ни е И СТИ НА, ко гд а х от я бы одна в хо д наяпе ре м е нная X и л и Y нахо д и тсяв со сто яни и И СТИ НА. Та блица ис т иннос т и

Л о ги ч е ско е в ы раже ни е — Z = XVY или X+Y X Y

X И ЛИ Z Y О бо знач е ни е на схе м ах Ри с.3.2

1

Z

X 0 0 1 1

Y 0 1 0 1

Z 0 1 1 1

18 3. Логичес ка я оп ер а ция Н Е (от р ица ние, инвер с ия ). Д в о и ч на я пе ре м е нная на в ы х о д е Z при ни м ае т знач е ни е И СТИ НА, ко гд а в хо д ная пе ре ме нная X нах о д и тся в со сто яни и ЛОЖЬ и знач е ни е ЛОЖЬ, ко гд а в хо д наяпе ре м е нная X нахо д и тсяв со сто яни и И СТИ НА. Л о ги ч е ско е в ы раже ни е — Z = X X

НЕ

Z

Та блица ис т иннос т и

1

X

X Z 0 1 1 0

Z

Обо знач е ни е на схе м ах Ри с.3.3

Л о ги ч е ски е о пе раци и И , И ЛИ , НЕ д о стато ч но про сто ре ал и зуются с по м о щ ью э л е ктро нны х схе м , напри ме р: «И»

+E

« И ЛИ »

«НЕ » +E

X X Y

Z=XΛY

+E Y

Z=XVY

Z=X X

Ри с.3.4 Э л е ктро нны е схе м ы , ре ал и зую щ и е л о ги ч е ски е о пе раци и И , И ЛИ , НЕ , назы в аютсявент ильным исхем а м и. 3.2. О д норазря д ны е п олус ум м атор и п олны й с ум м атор И спо л ьзуя таки е про сте йш и е в е нти л ьны е схе м ы , м о жно ре ал и зо в ы в ать схе м ы , в ы по л няю щ и е бо л е е сл о жны е о пе раци и над д в о и ч ны м и си гнал ам и . Н а ри с.3.5 пре д став л е на ци ф ро в аясх е м а, назы в ае м аяполу су м м а т ором .

19

X

Т абл и ца и сти нно сти

И НЕ

И

И ЛИ

X 0 0 1 1

S

И

Y

C

Y 0 1 0 1

C 0 0 0 1

Z 0 1 1 0

Ри с.3.5 Е сл и си гнал ы S и C на в ы хо д е схе м ы пре д став и ть со о тв е тств е нно как м л ад ш и й и старш и й разряд ы д в ухразряд но го д в о и ч но го ч и сл а, то о пе раци я, о сущ е ств л яе м ая схе м о й над в х о д ны м и си гнал ам и , пре д став л яющ и м и о д но разряд ны е д в о и ч ны е ч и сл а X и Y, со в пад ае т с о пе раци е й сл о же ни я (0 + 0 = 00; 0 + 1 = 01; 1 + 0 = 01; 1 + 1 = 10). Т .е . э та схе м а ф о рм и руе т си гнал сум м ы S и си гнал пе ре но са в старш и й разряд C, при ни м ающ и й знач е ни е 1 при сл о же ни и д в ух е д и ни ц (1+1). X

И НЕ

И

И И

И

Y

НЕ

S И

Cвх

Та блица ис т иннос т и И

И

И

Cвы х

Свх X 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

Y Cвы х S 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1

Ри с.3.6 П олный су м м а т ор, схе м а ко то ро го и зо браже на на ри с.3.6, в о тл и ч и е о т полу су м м а т ора , по зв о л яе т не то л ько скл ад ы в ать о д но разряд ны е д в о и ч ны е ч и сл а и ф о рм и ро в ать си гнал пе ре но са в старш и й разряд , но и уч и ты в ать при и х сл о же ни и си гнал пе ре но са Cвх и з пре д ы д ущ е го разряд а.

20 3.3. М ногоразря д ны й с ум м атор и АЛУ И з о д но разряд ны х по л ны х сум м ато ро в м о жно со би рать устро йств а, уже о сущ е ств л яющ и е сл о же ни е м но го разряд ны х д в о и ч ны х ч и се л . Н а ри с.3.7 пре д став л е на в о змо жнаясхе м а чет ырехра зряд ного су м м а т ора . X 3 Y3

X2 Y 2

X1 Y1

X 0 Y0

C4 П о л ны й C3 П о л ны й C2 П о л ны й C1 П о л ны й сум м ато р сум мато р сум м ато р сум м ато р S3

S2

S1

C0

S0

Ри с.3.7 Устро йств о сл о же ни я яв л яе тся гл а в но й ч астью так назы в ае м о го а риф м ет ик о-логическ ого у ст ройст ва (АЛУ ), ко м по не нта це нтрал ьно го про це ссо ра Э ВМ , о сущ е ств л яющ е го а р иф м ет ическ ие и логическ ие о пе раци и над д в о и ч ны м и ч и сл а ми . Ари ф м е ти ко -л о ги ч е ско е устро йств о о бы ч но и зо бражае тсяна схе м ах сл е д ующ и м о бразо м (ри с.3.8).

C V Z N

X

Y

АЛ У

Управ л е ни е (КО п)

S Ри с.3.8. АЛ У о бы ч но в ы по л няе т сл е д ующ и е о пе раци и над в хо д ны м и о пе ранд ам и X и Y: ари ф м е ти ч е ски е о пе раци и – слож ение и вычит а ние (о три цате л ьны е ч и сл а пре д став л яютсяв д в о и ч но -д о по л ни те л ьно м ко д е ) и л о ги ч е ски е о пе раци и – И , И ЛИ , НЕ . Вы бо рто й и л и и но й о пе раци и , в ы по л няе мо й АЛ У о сущ е ств л яе тся по д ач е й по спе ци ал ьно й ш и не управ л е ни я на е го со о тв е тств ую щ и е в хо д ы к од а эт ой опера ции (К О п), т.е . д в о и ч но го ч и сл а с ф и кси ро в анны м ко л и ч е ств о м разряд о в , кажд о м у знач е ни ю ко то ро го со о тв е тств уе т ко нкре тная о пе раци я АЛ У. Кро м е в ы хо д но й ш и ны S – ре зул ьтата о пе раци и , АЛ У о бы ч но и м е е т

21 е щ е ч е ты ре в ы хо д а, о бо знач е нны х на ри с.3.8 букв ам и C, V, Z и N, назы в ае м ы х в ы хо д ам и призна к ови л и ф ла говсост ояния: • е д и ни ца на в ы хо д е C по казы в ае т нал и ч и е при в ы по л не ни и о пе раци и переноса из ст а ршего ра зряд а , • си гнал на в ы хо д е V яв л яе тся призна к ом полнения,

а риф м ет ическ ого пере-

• си гнал Z яв л яе тсяпризна к ом ну левого резу льт а т а , • си гнал N яв л яе тся призна к ом от рица т ельного резу льт а т а (старш и й разряд резул ьтата рав е н е д и ни це ). 3.4. Контрольны е в оп рос ы 1. Л о ги ч е скаяо пе раци яИ , е е табл и ца и сти нно сти и в о зм о жнаясхе м на яре ал и заци я. 2. Л о ги ч е ская о пе раци я И ЛИ , е е табл и ца и сти нно сти и в о зм о жная схе м ная ре ал и заци я. 3. Л о ги ч е ская о пе раци я НЕ , е е табл и ца и сти нно сти и в о зм о жная схе м ная ре ал и заци я. 4. По л усум м ато р, е го табл и ца и сти нно сти и в о зм о жнаясхе м ная ре ал и заци я с по м о щ ью в е нти л ьны х л о ги ч е ски х э л е м е нто в . 5. Од но разряд ны й по л ны й сумм ато р, е го табл и ца и сти нно сти и в о зм о жная схе м наяре ал и заци яс по м о щ ью в е нти л ьны х л о ги ч е ски х э л е м е нто в . 6. М но го разряд ны й д в о и ч ны й сум м ато р. Как со е д и ни ть о д но раряд ны е сум м ато ры д л ясл о же ни ям но го разряд ны х д в о и ч ны х ч и се л ? 7. Ари ф м е ти ко -л о ги ч е ско е устро йств о , е го назнач е ни е , назнач е ни е е го в хо д о в и в ы хо д о в .

4. Э лем енты п ам я ти Э В М 4.1. Триггеры Э л е м е нтарны е в е нти л ьны е л о ги ч е ски е схе м ы по зв о л яют ре ал и зо в ать не то л ько устро йств а д л я в ы по л не ни я л о ги ч е ски х и ари ф м е ти ч е ски х о пе раци й,

22 но и устро йств а, о бл ад ающ и е св о йств о м запо м и нани я со сто яни й д в о и ч ны х си гнал о в , а сл е д о в ате л ьно , и д в о и ч ны х ч и се л . Устро йств о , запо м и нающ е е со сто яни е о д но й д в о и ч но й пе ре м е нно й, назы в ае тся три гге ро м . Н а ри с.4.1 пре д став л е ны схе м а и усл о в но е о бо знач е ни е так назы в ае м о го D-три гге ра. D

д анны е

И

Q C

НЕ C запи сь

D T

НЕ

И

НЕ

Q

Ри с.4.1 Н а ри с.4.2 пре д став л е ны в ре м е нны е д и аграм м ы си гнал о в на в хо д ах и в ы х о д е три гге ра, при ч е м ни зки й уро в е нь си гнал а «0» со о тв е тств уе т со сто яни ю F и л и ЛОЖЬ, а в ы со ки й «1» со о тв е тств уе т со сто яни ю T и л и И СТИ НА. Д анны е D t Запи сь C t

Вы хо д Q

t Ри с.4.2 Н а в хо д D три гге ра по ступают д а нные (запо ми нае м ы й д в о и ч ны й си гнал ). Н а в хо д C по ступае т си гнал за писи, при пе ре хо д е ко то ро го и з со сто яни я «0» в со сто яни е «1» в хо д но й си гнал D пе ре д ае тся на в ы х о д три гге ра Q, а при пе ре хо д е о т «1» к «0» запо м и нае тся (запи сы в ае тся) три гге ро м д о то го м о м е нта, ко гд а си гнал запи си сно в а пе ре йд е т в со сто яни е «1».

23 4.2. О рганизация зап ом инаю ще го ус тройс тв а с п роизв ольной в ы боркой Н е ско л ько три гге ро в м о гут о бъе д и няться в запо м и нающ и е регист ры, в ко то ры х уже м о жно запо м и нать не о д и н д в о и ч ны й разряд , а д в о и ч но е ч и сл о , ко л и ч е ств о разряд о в ко то ро го со в пад ае т с ко л и ч е ств о м три гге ро в в ре ги стре . И з таки х ре ги стро в -яч е е к на три гге рах м о жно стро и ть устро йств а д л я о пе рати в но го запо м и на ни я бо л ьш о го ко л и ч е ств а д в о и ч ны х ч и се л . Во зм о жнаяо ргани заци ятако го запо м и наю щ е го устро йств а при в е д е на на ри с.4.3. Од но и м е нны е разряд ы в хо д ны х ш и н в се х запо м и наю щ и х яч е е к о бъе д и няютсяи о бразуют о бщ ую шину вход ных д а нных, анал о ги ч но , о бъе д и не нны е о д но и м е нны е в ы хо д ы со о тв е тств ующ и х разряд о в яч е е к о бразуют выход ну ю шину д а нных. В ко нкре тны й м о м е нт в ре м е ни запи сь и л и ч те ни е м о гут про и зв о д и ться то л ько в од ин и з ре ги стро в яч е е к пам яти , в ы бо рко то ро й о сущ е ств л яе тся сигна лом выбора . Э то т си гнал ф о рм и руе тся в хо д ящ и м в запо м и нающ е е устро йств о спе ци ал ьны м бл о ко м, назы в ае м ы м д ешиф ра т ором а д р еса . Д е ш и ф рато р – э то ци ф ро в ая схе м а, и м е ющ ая k в хо д о в и 2k в ы хо д о в . Н а в хо д д е ш и ф рато ра ад ре са по д ае тся в д в о и ч но м ко д е но м е р в ы би рае м о й яч е йки пам яти , назы в ае м ы й а д ресом ячейк и. В со о тв е тств и и с э ти м ад ре со м д е ш и ф рато р ф о рм и руе т на о д но м и з св о и х в ы хо д о в си гнал в ы бо ра д л я ко нкре тно й яч е йки пам яти . Д л я ф и ксаци и ад ре са в ы би рае м о й яч е йки пам яти сл ужи т р егист р а д реса па м ят и, с в ы хо д а ко то ро го ад ре сны й си гнал и по д ае тся на в хо д ы д е ш и ф рато ра. Запи сь и нф о рм аци и с в хо д но й ш и ны д а нны х в в ы бранную яч е йку пам яти о сущ е ств л яе тся по д ач е й си гнал а на со о тв е тств ующ и е в хо д ы запо м и нающ и х э л е м е нто в по в хо д но й ш и не за пись/чт ение.

24 Вхо д наяш и на д анны х (8 разряд о в ) Запи сь/ч те ни е Ад ре снаяш и на (k разряд о в )

Ре ги стр ад ре са k разряд о в

m-1=2

1 0

k

8

/

/

7 6 5 4 3 2 1 0 запи сь Яч е йка 0 в ы бо р (8 три гге ро в ) 7 6 5 4 3 2 1 0

(8 разряд о в )

8

/

8/

7 6 5 4 3 2 1 0 запи сь Яч е йка 1 в ы бо р (8 три гге ро в ) 7 6 5 4 3 2 1 0

Д е ш и ф рато р ад ре са m -1

/8

Вы хо д наяш и на д анны х 8

8

/

8/

7 6 5 4 3 2 1 0 запи сь Яч е йка m в ы бо р (8 три гге ро в ) 7 6 5 4 3 2 1 0

8

/

Ри с.4.3 4.3. Контрольны е в оп рос ы 1. Д л яч е го в ЭВМ нужна пам ять? 2. Т ри гге р, назнач е ни е и рабо та D-три гге ра. 3. Ч то тако е запо м и наю щ и й ре ги стр, е го назнач е ни е ? 4. Органи заци я о пе рати в но го запо м и нающ е го устро йств а с про и зв о л ьно й в ы бо рко й (д о ступо м ). Каки м о бразо м о сущ е ств л яе тсяо бращ е ни е к яч е йкам о пе рати в но го запо м и нающ е го устро йств а с про и зв о л ьно й в ы бо рко й? Во зм о жны л и д руги е спо со бы д о ступа к яч е йкам пам яти ? 5. Ч то тако е ад ре с яч е йки пам яти Э ВМ ? 6. Ч то тако е ад ре сно е про странств о Э ВМ , ч е м о пре д е л яютсяе го разм е ры ?

5. Б азов ая с труктура в ы ч ис лительной с ис тем ы Н а ри с.5.1 и зо браже на базо в ая структура в ы ч и сл и те л ьно й си сте м ы , о тражающ ая ко нструкти в ны е э л е м е нты бо л ьш и нств а Э ВМ с ф о н-не йм а но в ско й архи те ктуро й.

25 Ш и на ад ре са Ш и на д анны х Ш и на управ л е ни я

РД П АЛ У

Сч е тч и к ко м анд

Ре г. со сто яни я

Указате л ь сте ка

Ре ги стрко м анд Устро йств о управ л е ни я

Ре ги стры о бщ е го назнач е ни я

РАП

ВЗУ О ЗУ .............. УВВ

Ц е нтрал ьны й про це ссо р

Ри с.5.1 Вхо д ящ и е в со став Э ВМ цент ра льный процессор (Ц П), опера т ивное за пом ина ющее у ст р ойст во (О ЗУ ), внешние за пом ина ющие у ст ройст ва (В ЗУ ) и д руги е у ст ройст ва ввод а -вывод а (У В В ) и нф о рм аци и по д кл юч е ны к тре м ш и нам , по ко то ры м пе ре д аютсяд анны е , ад ре са и си гнал ы управ л е ни я. Рассм о три м ко ро тко , ч то пре д став л яют со бо й э ти ко мпо не нты ЭВМ . 5.1. П ам я ть Э В М (оп ератив ное зап ом инаю щее ус тройс тв о) В со о тв е тств и и с ф о н-не йм ано в ски м и при нци пам и о ргани заци и Э ВМ , е е пам ять – о пе рати в но е запо м и нающ е е устро йств о со сто и т и з по сл е д о в ате л ьно го набо ра запо ми нающ и х яч е е к. Кажд ая яч е йка пам яти и м е е т о д и нако в о е , при сущ е е ко нкре тно м у ти пу Э ВМ , ко л и ч е ств о э л е м е нтарны х запо м и нающ и х э л е м е нто в , пре д назнач е нны х д л я запо м и нани я о д но го би та и нф о рм аци и , т.е . о д но го разряд а д в о и ч но го ч и сл а и л и ко д а. В ко нкре тны й м о м е нт в ре м е ни м о жно о брати ться к л юбо й, но то л ько к о д но й яч е йке пам яти . Д л я э то го в ад ре сно м ре ги стре (ре ги стр ад ре са пам яти – РАП) устанав л и в ае тся ад ре с (но м е р) э то й яч е йки пам яти . Ад ре с яч е йки пам яти также пре д став л яе т со бо й д в о и ч но е ч и сл о с о пре д е л е нны м ко л и ч е ств о м разряд о в . Пам ять Э ВМ с таки м спо со бо м о бращ е ни я к е е запо м и наю щ и м яч е йкам назы в ае тся о бы ч но п ам ят ь ю с п рои зволь ны м дост уп ом .

26 Запи сы в ае м ы е в яч е йку и л и сч и ты в ае м ы е и з не е д анны е (д в о и ч но е ч и сл о , ко д ) ф и кси руютсяв ре ги стре д анны х пам яти (РД П), в пе рв о м сл уч ае по пад ая туд а по ш и не д анны х о т це нтрал ьно го про це ссо ра, а в сл уч ае о пе раци и ч те ни я – и з в ы бранно й яч е йки пам яти , по д го тав л и в аясь д л я пе ре д ач и по ш и не д анны х к со о тв е тств ующ е м у при е м ни ку э ти х д анны х. Т и пи ч но й д л я бо л ьш и нств а ЭВМ яв л яе тся ба йт ова я о ргани заци я пам яти . При э то м э л е м е нтарны е би то в ы е запо м и нающ и е э л е м е нты сгруппи ро в аны в яч е йки по в о се м ь разряд о в -би то в (в байт) и кажд о й тако й байто в о й яч е йке при св о е н уни ка л ьны й ад ре с в не ко то ро м ад ре сно м про странств е . Ад ре сно е про странств о Э ВМ пре д став л яе т со бо й м но же ств е в се х в о зм о жны х ад ре со в – о т нул е в о го ад ре са д о не ко то ро го м акси м ал ьно го ад ре са, о пре д е л яе м о е разм е ро м ф и зи ч е ско й пам яти Э ВМ и разряд но стью е е ад ре сно го сл о в а. Н апри м е р, с по м о щ ью 16разряд но го д в о и ч но го ад ре са м о жно о бращ аться(ад ре со в аться) к 216 (65536 и л и 64К) яч е йкам . При тако й байто в о й о ргани заци и па мяти и нф о рм аци о нны е е д и ни цы (ко м анд ы , ч и сл а, ко д ы ), и м е ющ и е ч и сл о разряд о в бо л ьш е в о сьм и (16, 32 и т.д .), разм е щ аются в со о тв е тств ующ е м ко л и ч е ств е по сл е д о в ате л ьны х ба йто в ы х яч е е к пам яти . Т аки м о бразо м , в пам яти Э ВМ в в и д е по сл е д о в ате л ьно распо л о же нны х д в о и ч ны х ч и се л запи сы в аются ко м анд ы в ы по л няе м о й Э ВМ про грам м ы и д анны е , уч аств ующ и е в про це ссе в ы по л не ни я про грам мы в кач е ств е и схо д ны х о пе ранд о в , про м е жуто ч ны х и ко не ч ны х ре зул ьтато в в ы по л няе м ы х Э ВМ о пе раци й. Как уже го в о ри л о сь, в ф о н-не йм ано в ски х Э ВМ сам и ко д ы ко м анд -и нструкци й и д анны е , нахо д ящ и е ся в яч е йках пам яти не и м е ют каки хл и бо при знако в , по зв о л яющ и х то л ько по и х в и д у о тл и ч ать ко м анд ы о т д анны х и разл и ч ать ти пы д анны х . Вы бо рд л япо стро е ни яЭ ВМ и м е нно тако го спо со ба о ргани заци и пам яти , как па м яти с про и зв о л ьны м д о ступо м к яч е йкам по и х ад ре су, м о же т по казатьсясам о о ч е в и д ны м . В св язи с э ти м сл е д уе т о брати ть в ни м ани е на то , ч то в о зм о жны и д руги е спо со бы в заи м о д е йств и я с пам ятью, со д е ржащ е й бо л ьш о е ко л и ч е ств о яч е е к, при ко то ры х по няти е ад ре са яч е йки не и спо л ьзуе тся. В ч астно сти , ни же буд е т рассм о тре н тако й ал ьте рнати в ны й спо со б о ргани заци и пам яти в в и д е ст ек а . Вы бо рка и нф о рм аци и и з пам яти м о же т также о сущ е ств л яться не по м е сту распо л о же ни я и нф о рм аци и в пам яти (ад ре су), а а ссоциа т ивно по со д е ржани ю хранящ е йся и нф о рм аци и . Пам ять, о ргани зо в аннаятаки м о бразо м , назы в ае тсяа ссоциа т ивной.

27 5.2. Ц ентральны й п роцес с ор П роцессор Э ВМ – э то устро йств о , не по сре д ств е нно о сущ е ств л яющ е е про це сс о брабо тки д анны х и про грам м но е управ л е ни е э ти м про це ссо м . Про це ссо рд е ш и ф руе т и в ы по л няе т ко м анд ы про грам мы , о ргани зуе т о бращ е ни я к о пе рати в но й пам яти , в нужны х сл уч аях и ни ци и руе т рабо ту пе ри ф е ри йны х устро йств , в о спри ни м ае т и о брабаты в ае т запро сы , по ступающ и е и з устро йств ко м пьюте ра и и з в не ш не й сре д ы («запро сы пре ры в ани я»). Про це ссо р зани м ае т це нтрал ьно е м е сто в структуре Э ВМ , так как о н о сущ е ств л яе т управ л е ни е в заи м о д е йств и е м в се х устро йств , в х о д ящ и х в со став Э ВМ . Важне йш и м и х аракте ри сти кам и про це ссо ра Э ВМ яв л яются: • е го ра зряд ност ь, то е сть ко л и ч е ств о разряд о в ч и се л , над ко то ры м и о н м о же т со в е рш ать о пе раци и (напри м е р, 16-разряд ны е про це ссо ры PDP-11, Intel 80286, 32-разряд ны е VAX-11, Intel 80386 и 80486, Pentium, 64-разряд ны е про це ссо ры Alpha, Pentium II; • сист ем а к ом а нд , то е сть набо рко манд , ко то ры е д анны й про це ссо рм о же т в ы по л нять; • быст род ейст вие про це ссо ра, ко то ро е о бы ч но характери зуют ко л и ч е ств о м ко м анд , в ы по л няе м ы х про це ссо ро м в се кунд у. Ко св е нны м по казате л е м бы стро д е йств и я про це ссо ра яв л яе тсяе го такто в аяч асто та: ч е м в ы ш е ч асто та, те м бо л ьш е бы стро д е йств и е . Как по казано на ри с.5.1, це нтрал ьны й про це ссо р Э ВМ с ф о нне йм ано в ско й арх и те ктуро й о бязате л ьно со д е ржи т устро йств о управ л е ни я, ари ф м е ти ко -л о ги ч е ско е устро йств о и группу ре ги стро в . У ст ройст во у пра вления в ы рабаты в ае т по сл е д о в ате л ьно сть управ л яющ и х си гнал о в , и ни ци и рующ и х в ы по л не ни е м и кро о пе раци й, о бе спе ч и в ающ и х ре ал и заци ю те кущ е й ко м анд ы , ко о рд и ни рующ и х рабо ту в се х э л е м е нто в це нтрал ьно го про це ссо ра, управ л яю щ и х про це ссо м о бм е на и нф о рм аци е й с д руги м и бл о кам и Э ВМ . Ариф м ет ик о-логическ ое у ст ройст во (о пе раци о нны й бл о к про це ссо ра) пре д назнач е но д л я в ы по л не ни я ари ф м е ти ч е ски х и л о ги ч е ски х о пе раци й над

28 д в о и ч ны м и ч и сл ам и и л и ко д ам и . Х аракте р в ы по л няе м о й АЛ У о пе раци и зад ае тсяко м анд о й про грам м ы . Регист ры цент ра льного процессора в како й-то м е ре по д о бны яч е йкам о пе рати в но й па мяти . Н е ко то ры е и з ни х также спо со бны запо м и нать и х рани ть д в о и ч ны е ко д ы . Од нако , разм е щ аясь в сам о м це нтрал ьно м про це ссо ре , е го ре ги стры в ы по л няют св о и в ажны е спе ци ф и ч е ски е ф ункци и . Н е о бхо д и м о сть нал и ч и я в со став е про це ссо ра группы д о по л ни те л ьны х ре ги стро в д и ктуе тсясл е д ую щ и м и ф акто рам и . • Пам ять Э ВМ , пре д став л яющ ая со бо й запо м и нающ е е устро йств о с про и зв о л ьно й в ы бо рко й, не по зв о л яе т од новрем енного сч и ты в а ни я и з разл и ч ны х яч е е к ко д а ко ма нд ы , в хо д ны х о пе ранд о в д л яАЛ У, запи си ре зул ьтата о пе раци и (в ы хо д но го о пе ранд а АЛ У). • Про це ссо рд о л же н ф о рми ро в ать ад ре са ко м анд в ы по л няе м о й про грам м ы , д л яв ы бо рки и х и з пам яти и по сл е д ую щ е й и нте рпре таци и и в ы по л не ни я. • Д л яф о рм и ро в а ни яад ре со в яч е е к пам яти при в ы бо рке о пе ранд о в на практи ке тре буе тсяи спо л ьзо в ать разл и ч ны е м е то д ы . • Н е о бх о д и м о и м е ть сре д ств о ко нтро л яре зул ьтата о пе раци й, в ы по л не нны х АЛ У, на при м е р, нал и ч и я и л и о тсутств и я пе ре но са и з старш е го разряд а, нал и ч и яи л и о тсутств и яари ф м е ти ч е ско го пе ре по л не ни я. • Про це ссо р д о л же н о бе спе ч и в ать в о зм о жно сть и спо л ьзо в ани я структур про грам м бо л е е сл о жны х, ч е м про стая л и не йная, путе м при м е не ни я по д про грам м , ре жи м а пре ры в а ни япро грам м . Д л я э ти х це л е й в со став е ф о н-не йм ано в ско го про це ссо ра и спо л ьзуются сл е д ующ и е ре ги стры . • Регист р к ом а нд (РК ) пре д назнач е н д л я в ре м е нно го х ране ни я сч и танно го и з яч е йки пам яти ко д а те кущ е й ко м анд ы в ы по л няе м о й Э ВМ про грамм ы на в ре мя е е в ы по л не ни я. Эта ко м анд а и нте рпре ти руе тся и л и д е ш и ф ри руе тся в устро йств е управ л е ни я про це ссо ра, о бе спе ч и в ая в ы рабо тку э ти м устро йств о м управ л яю щ и х в о зд е йств и й на АЛ У, д руги е э л е ме нты про це ссо ра и ЭВМ д л я ре ал и заци и д е йств и й, со о тв е тств ующ и х в ы по л няе м о й ко м анд е . В ч астно сти , при э то м о пре д е л яе тся, какая

29 о пе раци я д о л жна бы ть в ы по л не на, над ч е м , куд а по м е сти ть ре зул ьтат о пе раци и . • Регист р –счет чик к ом а нд (С К ) (Programm Counter – PC) пре д назнач е н д л я ф о рм и ро в ани яад ре са в ы би рае м о й ко ма нд ы , т.е . ад ре са яч е йки пам яти , и з ко то ро й д о л жна бы ть про ч и тана сл е д ующ ая ко м анд а в ы по л няе м о й про грам м ы . Э то т ад ре с м о же т бы ть при нуд и те л ьно по м е щ е н (запи сан) спе ци ал ьно й ко м анд о й в ы по л няе м о й про грам м ы в ре ги стр– сч е тч и к ко м анд . Од нако в сл уч аях , ко гд а в ы по л няе м ая ко ма нд а ни како й и нф о рм аци и о б ад ре се сл е д ующ е й ко м анд ы не со д е ржи т, про це ссо р управ л яе т ре ги стро м –сч е тч и ко м ко м анд таки м о бразо м , ч то по сл е сч и ты в ани я ко м анд ы и з указанно й и м яч е йки пам яти и пе ре м е щ е ни я э то й ко м анд ы в ре ги стр ко м анд про це ссо ра, сод ерж им ое регист ра – счет чик а к ом а нд а вт ом а т ическ и у величива ет ся и ст а новит ся ра вным а д ресу след у ющей по поряд к у к ом а нд ы. Т ак, напри м е р, при байто в о й о ргани заци и пам яти в Э ВМ , и спо л ьзую щ е й д л я ко д и ро в ани я ко м анд 16-разряд но е сл о в о (д в а байта), по сл е сч и ты в ани я о ч е ре д но й ко м анд ы и з пам яти со д е ржи м о е сч е тч и ка ко м анд ав то м ати ч е ски ув е л и ч и тсяна д в а и буд е т указы в ать на ад ре с сл е д ующ е й по по ряд ку ко м анд ы . Т аки м о бразо м , сод ерж им ое ячейк ипа м ят и, а д рес к от орой вд а нный м ом ент на ход ит ся в счет чик е к ом а нд , всегд а инт ерпрет иру ет ся процессором , к а к код ком анды , а не данны е. • Регист р ы общего на зна чения (РО Н ) и спо л ьзуются про це ссо ро м как в ре м е нная бы стро д е йств ую щ ая пам ять д л я в хо д ны х и в ы хо д ны х д анны х (о пе ранд о в ) ари ф м е ти ко -л о ги ч е ско го устро йств а (АЛ У), а также д л я ре ал и заци и разно о бразны х м е то д о в ад ре саци и о пе ранд о в , т.е . спо со бо в указани я ме сто нах о жд е ни я о пе ранд о в , и спо л ьзуе м ы х в ко м анд ах Э ВМ . Ч и сл о разряд о в в ре ги страх о бщ е го назнач е ни я и д руги х пе ре ч и сл е нны х ре ги страх о бы ч но со в пад ае т с разряд но стью це нтрал ьно го про це ссо ра Э ВМ (е го АЛ У). • С егм ент ные регист ры и р егист ры а д реса ст ра ниц и спо л ьзуются д л я ре ш е ни я про бл е м , св язанны х с расш и ре ни е м ад ре суе м о го про странств а и управ л е ни е м пам ятью Э ВМ (см . ни же ). • Регист р -у к а за т ель ст ек а (У С ) (Stack Pointer – SP) – э то ре ги стр про це ссо ра, пре д назнач е нны й д л я о ргани заци и в пам яти Э ВМ аппаратно управ л яе м о го сте ка, т.е . со в о купно сти яч е е к пам яти , д о ступ

30 управ л яе м о го сте ка, т.е . со в о купно сти яч е е к пам яти , д о ступ к ко то ры м о сущ е ств л яе тся не по а д ресу , а ч е рез так назы в ае м ую «вершину ст ек а ». С од ерж им ое регист ра -у к а за т еля ст ек а инт ерпрет ир у ет ся процессором к а к а д рес ячейк ипа м ят и, являющейся вершиной ст ек а . По д ро бне е о б о ргани заци и и и спо л ьзо в а ни и сте ка буд е т го в о ри тьсяни же в со о тв е тств ую щ и х разд е л ах. Сте к, в ч астно сти , и спо л ьзуе тся при ре ал и заци и в Э ВМ м е хани зм о в рабо ты с по д про грам м ам и и о бсл ужи в ани яв не ш ни х и в нутре нни х пре ры в ани й про грам мы . • Важную спе ци ал ьную ро л ь и грае т в про це ссо ре ре ги стр, назы в ае мы й регист ром сост ояния процессора (РС ). О н пре д назнач е н д л я о траже ни яте кущ е го со сто яни япро це ссо ра и д л яустано в ки е го ре жи м а. В о пре д е л е нны х разряд ах э то го ре ги стра указы в ае тся, в ч астно сти , со сто яни е ре зул ьтата в ы по л не ни япро це ссо ро м те кущ е й о пе раци и (ко м анд ы ). Э то разряд ы -при знаки (ф л аги со сто яни я): • пе ре но са и з старш е го разряд а (C), • ари ф м е ти ч е ско го пе ре по л не ни я(V), • нул е в о го ре зул ьтата (Z), • о три цате л ьно го ре зул ьтата (N). 5.3. Ш инная организация Э В М Ш и на в в ы ч и сл и те л ьно й си сте м е – э то сре д а, пре д став л яющ ая со бо й со о тв е тств ующ и м о бразо м в ы по л не нны е л и ни и св язи , ч е ре з ко то рую ко м по не нты Э ВМ св язы в аются д руг с д руго м . Бо л ьш и нств о Э ВМ и м е ют ш и нную о ргани заци ю, ч то по зв о л яе т сущ е ств е нно со крати ть о бщ е е ч и сл о л и ни й св язи м е жд у бл о ка ми Э ВМ . Как по казано на ри с.5.1, о бы ч но ш и на Э ВМ ф ункци о нал ьно д е л и тся на три группы л и ни й св язи : а д ресну ю шину , шину д а нных и шину у пра вления. Ад ре снаяш и на пе ре но си т и нф о рм аци ю о то м , гд е и скать и нструкци и (ко м анд ы ) и л и д анны е в пам яти Э ВМ , то е сть ад ре са со о тв е тств ующ и х яч е е к пам яти ; ш и на д анны х пе ре но си т э ти д анны е и л и и нструкци и д л я це нтрал ьно го про це ссо ра; ш и на управ л е ни я о бе спе ч и в ае т пе ре д ач у си гнал о в управ л е ни я м е жд у про це ссо ро м и по д кл юч е нны м и к Э ВМ устро йств ам и .

31 5.4. В не ш ние ус тройс тв а Н аи бо л е е ч асто в в ы ч и сл и те л ьны х си сте ма х при м е няются сл е д ующ и е пе ри ф е ри йны е устро йств а : • внешние за пом ина ющие у ст ройст ва (ВЗУ), пре д назнач е нны е д л яд олговр ем енного хране ни ябольших о бъе м о в и нф о рм аци и , э то – нако пи те л и на м агни тны х д и сках, на м агни тны х л е нтах, CD ROM и д р.; • к ла виа т ура – устро йств о , пре д назнач е нно е д л яв в о д а и нф о рм аци и в Э ВМ , о сущ е ств л яе т ге не раци ю д в о и ч но го ко д а в со о тв е тств и и с нажато й кл ав и ш е й и л и ко м би наци е й кл ав и ш ; • м ани пул ято ры м ышь и д ж ойст ик ; • вид еом онит ор – устро йств о д л яо то браже ни яна э кране в ы в о д и м о й по л ьзо в ате л ю и нф о рм аци и ; • печа т а ющие у ст ройст ва и гра ф опост роит ели, пре д назнач е нны е д л яв ы в о д а те ксто в о й и л и граф и ч е ско й и нф о рм аци и путе м е е пе ч ати на бум аге ; • ск а неры –устро йств а д л яв в о д а и зо браже ни я; • м од ем ы – д л яо бм е на и нф о рм аци е й м е жд у Э ВМ по те л е ф о нны м л и ни ям и м но ги е д руги е устро йств а. 5.5. Контрольны е в оп рос ы 1. Общ а яструктура в ы ч и сл и те л ьно й си сте м ы , назнач е ни е е е э л е м е нто в . 2. Про це ссо рЭ ВМ , е го ко м по не нты и и х назнач е ни е . 3. Како й э л е м е нт про це ссо ра пре д назнач е н д л я указани я ад ре са ко манд ы , ко то рую сл е д уе т в ы би рать и з пам яти д л яв ы по л не ни я? 4. Н азнач е ни е ре ги стра-сч е тч и ка ко м анд , по ч е м у о н так назы в ае тся? 5. Д л яч е го в про це ссо ре нужно устро йств о управ л е ни я? 6. Д л яч е го нуже н ре ги стрко м анд про це ссо ра? 7. Д л яч е го нуже н ре ги стрсо сто яни япро це ссо ра? 8. Д л яч е го нуже н в про це ссо ре ре ги стр-указате л ь сте ка? 9. Ре ги стры о бщ е го назнач е ни я, д л яч е го о ни и спо л ьзуются? 10. Ч то тако е разряд но сть Э ВМ , парам е тры каки х э л е м е нто в Э ВМ о на о пре д е л яе т? 11. Ре ги страд ре са пам яти , ре ги стрд анны х пам яти , гд е о ни распо л о же ны , и х назнач е ни е ? 12. Ч е м о пре д е л яе тсяразм е рф и зи ч е ско й пам яти Э ВМ ?

32 13. М о жно л и о бращ атьсяк яч е йкам пам яти , не указы в аяи х ад ре са? 14. Ч то тако е канал (ш и ннаяо ргани заци я) Э ВМ ?

6. У п рощ енны й цикл в ы п олнения ком анд в Э В М 6.1. Ц икл в ы п олне ния ком анд И схо д я и з и зл о же нно й в ы ш е и нф о рм аци и и базо в о й структуры Э ВМ , рассм о три м по сл е д о в ате л ьно сть о пе раци й, о сущ е ств л яе м ую про це ссо ро м при в ы по л не ни и ко м анд в ы по л няе м о й про грам м ы . Про грам м а, ко то рую в ы по л няе т Э ВМ , о бы ч но запи сана в по сл е д о в ате л ьны х яч е йках е е пам яти в в и д е по сл е д о в ате л ьно сти зако д и ро в анны х ко м анд (и нструкци й). Д л я то го , ч то бы про це ссо р нач ал в ы по л не ни е про грам м ы , не о бхо д и м о по м е сти ть ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нах о д и тся пе рв ая ко м анд а про грам м ы , в ре ги стрсч е тч и к ко м анд (СК) про це ссо ра. Рабо та про це ссо ра при э то м пре д став л яе т со бо й по сл е д о в ате л ьно сть сл е д ую щ и х о пе раци й. • П роцессор пом еща ет сод ерж им ое своего регист ра -счет чик а к ом а нд в регист р а д реса па м ят и(РАП ) за пом ина ющего у ст ройст ва . • За т ем из ячейк и па м ят и, а д рес к от орой пом ещен в регист р а д реса па м ят и, извлек а ет ся к од к ом а нд ы и через шину д а нных перед а ет ся в р егист р к ом а нд пр оцессора . • П осле счит ыва ния из па м ят и сод ерж им ого ячейк и, а д рес к от орой у к а зыва ет ся регист ром –счет чик ом к ом а нд , сод ерж им ое эт ого регист ра а вт ом а т ическ и у величива ет ся и ст а новит ся ра вным а д ресу след у ющего по поряд к у слова . (Н а прим ер, если к ом а нд ы за ним а ют в па м ят и Э В М д ва ба йт а , т о у величение счет чик а к ом а нд производ ит ся на д ва ). • В след за эт им у ст ройст во у пра вления процессор а на чина ет инт ерпр ет а цию к ом а нд ы, на ход ящейся в его регист ре к ом а нд . В на ча ле опред еляет ся опера ция, к от ора я д олж на быт ь выполнена процессором по д а нной к ом а нд е, и всоот вет ст вии с ней выра ба т ыва ют ся сигна лы д ля у пра вления элем ент а м и пр оцессора , в ча ст ност и, сигна лы, осу щест вляющие перек лючение АЛУ вреж им выполненияну ж ной опера ции.

33 Д л я о пре д е л е нно сти пре д по л о жи м , ч то ко м анд а, ко то рую в д а нны й м о м е нт в ы по л няе т про це ссо р, яв л яе тся ко м а нд о й сл о же ни я д в ух ч и се л – о пе ранд о в , нахо д ящ и хсяв не ко то ры х яч е йках пам яти . • Д ек од ируя к од опера ции, за д а ва ем ый к ом а нд ой, у ст ройст во у пра вления процессор а опр ед еляет , в ча ст ност и, необход им ост ь выборк и опер а нд ов д ля выполнения к онк рет ной к ом а нд ы. (В ра ссм а т рива ем ом прим ере д ля к ом а нд ы слож ениянеобход им ы д ва опера нд а ). • П осле эт ого у ст ройст во упра вления в резу льт а т е д а льнейшей инт ерпрет а циик ом а нд ы опр ед еляет а д рес первого опера нд а ипом еща ет его в регист р а д реса па м ят и(РАП ). • С од ер ж им ое эт ой ячейк и, т .е. первый опера нд , счит ыва ет ся и по шине д а нных перед а ет ся в од ин из регист ров процессора , под к люченного к вход у первого опера нд а АЛУ . • За т ем а на логичным обра зом опред еляет ся а д рес вт орого опера нд а , производ ит ся его счит ыва ние врегист р иу ст а новк а на д ру гом вход е АЛУ. • П осле выборк и и под гот овк и необход им ых к ом а нд е опера нд ов соот вет ст ву юща я ей опера ция выполняет ся (в д а нном прим ере происход ит слож ение выбра нных опера нд ов). • Резу льт а т опера ции пересыла ет ся в па м ят ь Э В М по а д ресу , т а к ж е опред еляем ом у у ст ройст вом у пра вления вр езу льт а т е инт ерпрет а циик од а к ом а нд ы. Н а э то м ци кл в ы по л не ни я ко м анд ы заканч и в ае тся, про це ссо р сно в а по м е щ ае т со д е ржи м о е св о е го ре ги стра–сч е тч и ка ко м анд (уже ув е л и ч е нно е ) в ре ги стр ад ре са пам яти , про и зв о д и т сч и ты в а ни е сл е д ую щ е й по по ряд ку ко м анд ы в св о й ре ги стрко м анд и по в то ряе т ци кл д е ко д и ро в ани яи в ы по л не ни я ко м анд ы . 6.2. Контрольны е в оп рос ы 1. Ц и кл в ы по л не ни я ко м анд ы Э ВМ (на при м е ре в ы по л не ни я ко м анд ы сл о же ни яд в ух ч и се л , нахо д ящ и хсяв яч е йках пам яти Э ВМ ). 2. Ц и кл в ы по л не ни я ко м анд ы Э ВМ (на при м е ре в ы по л не ни я ко м анд ы усл о в но го пе ре хо д а).

34 7. Сис тем а ком анд Э В М и ад ре с ация оп е ранд ов 7.1. Тип ы ком анд Важно й характе ри сти ко й Э ВМ , в бо л ьш о й сте пе ни о пре д е л яющ е й разд е л е ни е Э ВМ на разл и ч ны е ти пы , яв л яе тсясист ем а к ом а нд Э В М . К ом а нд а пре д став л яе т со бо й ко д , о пре д е л яющ и й о пе раци ю в ы ч и сл и те л ьно й м аш и ны и д анны е , уч аств ую щ и е в о пе раци и . Ко м анд а со д е ржи т также в яв но й и л и не яв но й ф о рм е и нф о рм аци ю о б ад ре се , по ко то ро м у разм е щ ае тся ре зул ьтат о пе раци и , и о б ад ре се сл е д ую щ е й ко м анд ы . По д си сте м о й ко м анд Э ВМ о бы ч но по ни м а ют набо р и нструкци й, ко то ры е м о же т в ы по л нять е е це нтрал ьны й про це ссо р, спо со бы ко д и ро в ани яэ ти х и нструкци й и м е то д ы указани я м е сто нахо жд е ни я о пе ранд о в . М о щ но сть и ги бко сть си сте м ы ко м анд в о м но го м о пре д е л яют кач е ств е нны е по казате л и Э ВМ в це л о м . Н або рко м анд Э ВМ о бы ч но в кл юч ае т в се бябо л ьш о е ко л и ч е ств о (о т не ско л ьки х д е сятко в д о со те н) ко м анд разл и ч но го назнач е ни я. Н азнач е ни е ко м анд сущ е ств е нны м о бразо м в л и яе т на спо со бы и х ко д и ро в ани яи д л и ну. По характе ру в ы по л няе м ы х о пе раци й разл и ч ают сл е д ующ и е о сно в ны е группы ко м а нд : ко м анд ы ари ф м е ти ч е ски х о пе раци й, ко м а нд ы л о ги ч е ски х (по разряд ны х) о пе раци й (И , И ЛИ , НЕ и д р.), ко м анд ы пе ре сы л ки ко д о в м е жд у ко м по не нтам и Э ВМ , ко м анд ы упра в л е ни я по ряд ко м в ы бо рки и и спо л не ни я ко м анд (ко м анд ы пе ре д ач и управ л е ни я), ко ма нд ы зад ани я ре жи м а рабо ты про це ссо ра и д р. В ко манд е , как прав и л о , со д е ржатся не сам и о пе ранд ы , а и нф о рм аци я о б ад ре сах яч е е к пам яти и л и ре ги страх, в ко то ры х о ни нахо д ятся. Ко д ко м анд ы м о жно пре д став и ть со сто ящ и м и з не ско л ьки х ч асте й и л и по л е й, и м е ющ и х о пре д е л е нно е ф ункци о нал ьно е назнач е ни е при ко д и ро в ани и ко м анд но й и нф о рм аци и . Как по казано на ри с. 7.1, ко м анд ны й ко д в о бщ е м сл уч ае со сто и т и з опера ционной ч асти и а д ресной ч асти . Код оп ер а ции

О пе раци о нная ч асть

Ад ре снаяч асть Ри с. 7.1

35 Кажд ая и з э ти х ч асте й, в св о ю о ч е ре д ь, м о же т со сто ять и з не ско л ьки х по л е й. Э то о со бе нно характе рно д л яад ре сно й ч асти . О пера ционна я ча ст ь со д е ржи т к од опера ции (КОп), ко то ры й зад ае т в и д о пе раци и (сл о же ни е , пе ре сы л ка, пе ре хо д и т.д .). Ад ресна я ча ст ь ко м анд ы со д е ржи т и нф о рм аци ю о м е сто нахо жд е ни и (ад ре сах) о пе ранд о в и ре зул ьтата о пе раци и , а в не ко то ры х сл уч аях и о б ад ре се сл е д ующ е й ко м анд ы . Ф орм а т ом к ом а нд ы назы в ают разм е тку но м е ро в разряд о в (би т) ко д а ко манд ы , о пре д е л яю щ и х распо л о же ни е и грани цы о тд е л ьны х по л е й ко м анд ы . Важно й и сл о жно й про бл е м о й при про е кти ро в ани и Э ВМ яв л яе тся в ы бо р структуры и ф о рм ата ко м анд ы , назнач е ни яи д л и ны о тд е л ьны х е е по л е й. Е сте ств е нно стре м л е ни е разм е сти ть в ко м анд е в в о зм о жно бо л е е по л но й ф о рм е и нф о рм аци ю о пре д пи сы в ае м о й ко м анд о й о пе ра ци и и м е сто нахо жд е ни ю не о бхо д и м ы х о пе ранд о в и ре зул ьтата о пе раци и . Од нако в усл о в и ях со в ре м е нны х Э ВМ , ко гд а знач и те л ьно в о зро сл о ко л и ч е ств о в ы по л няе м ы х Э ВМ ко м анд и е м ко сть ад ре суе м о й пам яти (д л и на ад ре сно го сл о в а), э то при в о д и т к не д о пусти м о бо л ьш о й д л и не ко д а ко м анд ы и усл о жне ни ю е е ф о рм ата. Ре ш е ни е в ы бо ра ф о рм ата ко м анд о со бе нно усл о жняе тся в м ал ы х Э ВМ и м и кро про це ссо рах, рабо тающ и х с ко ро тки м м аш и нны м сл о в о м . Про сте йш и м ти по м ко м анд яв л яются так назы в ае м ы е беза д ресные к ом а нд ы, т.е . ко м анд ы , д л я в ы по л не ни я ко то ры х о пе ранд ы не тре буются. Т и пи ч ны е ко м анд ы тако го ти па э то : ОСТАНОВ (HALT) , О ЖИ ДАНИ Е В НЕ Ш НИ Х СОБ Ы ТИ Й (WAIT) , НЕ Т ОП Е Р АЦ И И (NOP) и д р. У э ти х ко м а нд в сё о тв о д и м о е по д ко манд у ма ш и нно е сл о в о пре д став л яе т со бо й ко д о пе раци и . Бо л е е сл о жны м и ти пам и ко м анд яв л яются ко м анд ы , д л я в ы по л не ни я ко то ры х тре буе тся о д и н и л и не ско л ько о пе ранд о в . В э то м сл уч ае при ко д и ро в ани и ко м анд ы , по м и м о ко д а, о пи сы в ающ е го в ы по л няе м ую ко м анд о й ф ункци ю, не о бхо д и м о те м и л и и ны м о бразо м указы в ать уч аств ующ и е в о пе раци и в хо д ны е о пе ранд ы (о пе ранд ы – и сто ч ни ки д анны х) и л и и х м е сто нахо жд е ни е (в ре ги страх и л и пам яти ), а также м е сто , куд а д о л же н бы ть по м е щ е н ре зул ьтат о пе раци и (о бы ч но назы в ае м ы й при е м ни ко м д анны х ). В св язи с э ти м , в зав и си м о сти о т ко л и ч е ств а о пе ранд о в , в Э ВМ м о жно пре д став и ть сл е д ующ и е ти пы разно в и д но сти ко м анд :

36 •

од ноа д ресные к ом а нд ы, о пе ри рующ и е то л ько о д ни м о пе ранд о м (на при м е р, ко м анд ы ОЧ И СТИ ТЬ ЯЧ Е Й КУ П АМ ЯТИ , У ВЕ ЛИ Ч И ТЬ ЗНАЧ Е НИ Е ЯЧ Е Й КИ НА Е ДИ НИ Ц У , И ЗМ Е НЕ НИ ТЬ ЗНАК Ч И СЛА и д руги е ;

• д ву ха д ресные к ом а нд ы, д л я рабо ты ко то ры х не о бхо д и м о указани е д в ух ад ре со в (напри ме р, ко м анд а К ОП И Р О В АТЬ СОДЕ Р ЖИ М О Е ОДНОЙ ЯЧ Е Й КИ В ДР УГУ Ю ); • т реха д ресные к ом а нд ы, на при м е р ко м анд а – СЛО ЖИ ТЬ СОДЕ Р ЖИ М О Е ДВУХ ЯЧ Е Е К И Р Е ЗУЛЬТАТ П О М Е СТИ ТЬ П О ТР Е ТЬЕ М У АДР Е СУ ; • чет ыреха д ресные, см . при м е рко м анд ы при в е д е нно й в ы ш е , но в ко то ро й д о бав л е но указани е ад ре са ко м анд ы , ко то рая д о л жна в ы по л няться по сл е д анно й. Д л я ад ре саци и кажд о го о пе ранд а в ко д е ко м анд ы в ы д е л яе тся спе ци ал ьно е по л е (не ско л ько разряд о в ). Оч е в и д но , ч то ко л и ч е ств о указы в ае м ы х в ко м анд е о пе ранд о в и спо со б указани я и х ад ре со в сущ е ств е нны м о бразо м в л и яют на д л и ну ко ма нд ы (ко л и ч е ств о разряд о в не о бхо д и м ы х д л яко д и ро в ани я ко м анд ы ). В св язи с э ти м в о м но ги х Э ВМ о грани ч и в аются о д но ад ре сны м и и д в ухад ре сны м и ко м а нд ам и . В э то м сл уч ае , как, напри ме р, в ко м анд е сл о же ни я, тре бую щ е й указани я ад ре со в д в ух в хо д ны х о пе ранд о в и тре тье го ад ре са д л я по м е щ е ни я ре зул ьтата о пе раци и , о грани ч и в аются указани е м то л ько д в ух ад ре со в , по м е щ ая ре зул ьтат о пе раци и , т.е . о пе ранд –при е м ни к, по ад ре су о д но го и з д в ух в хо д ны х о пе ранд о в –и сто ч ни ко в . Е сте ств е нно , ч то при э то м по сл е в ы по л не ни я о пе раци и знач е ни е о д но го и з о пе ранд о в буд е т уте ряно . Уч и ты в ая, ч то ад ре с о пе ранд а зани м ае т о д но м аш и нно е сл о в о , при не по сре д ств е нно м указани и в ко м анд е ад ре со в о пе ранд о в , м о жно разм е щ ать ко м анд у в пам яти Э ВМ в не ско л ьки х сл е д ующ и х по д ряд яч е йках пам яти . Од нако , про бл е м а ад ре саци и о пе ранд о в , т.е . спо со бо в указани я и х м е сто нахо жд е ни я, на сам о м д е л е яв л яе тся бо л е е сл о жно й, ч е м про сто про бл е м а ув е л и ч е ни я д л и ны ко м анд ы . Обы ч но в Э ВМ и спо л ьзуе тся не о д и н, а не ско л ько спо со бо в ф о рм и ро в ани я и спо л ни те л ьно го ад ре са о пе ранд а по и нф о рм аци и , указы в ае м о й в со о тв е тств ую щ е м по л е ко м анд ы . Э то св язано , в ч астно сти , с не о бхо д и м о стью о бе спе ч е ни я э ф ф е кти в но го пре о бразо в ани я в м аш и нны е ко д ы про грам м , напи санны х на язы ках в ы со ко го уро в ня, с и спо л ьзо в ани е м при про грам м и ро в ани и разно о бразны х спо со бо в структурно й о ргани заци и

37 д анны х (масси в о в , сте ко в , о ч е ре д е й и д р.). Н апри м е р, в кач е ств е и спо л ни те л ьно го ад ре са о пе ранд а м о же т указы в аться о д и н и з ре ги стро в про це ссо ра, ад ре с яч е йки пам яти , в ко м анд е м о же т указы в атьсяад ре с яч е йки пам яти , со д е ржащ е й ад ре с о пе ранд а и л и см е щ е ни е э то го ад ре са, о тно си те л ьно ад ре са сам о й ко м анд ы и д р. Обы ч но , ч е м м о щ не е Э ВМ , те м разно о бразне е м е то д ы ад ре саци и о пе ранд о в . Рассм о три м ти пи ч ны е д л я бо л ьш и нств а Э ВМ м е то д ы ад ре саци и о пе ранд о в . 7.2.

Сп ос обы ад ре с ации оп еранд ов

Сл е д уе т разл и ч ать по няти я а д р есный к од в ко м анд е и исполнит ельный а д рес. Ад ре сны й ко д – это инф орм а ция об а д ресе о пе ранд а, со д ержащ аяся в ко м анд е . И спо л ни те л ьны й ад ре с – э то сам а д рес (но ме р) яч е йки пам яти , к ко то ро й про и зв о д и тся ф акти ч е ско е о бращ е ни е . Как прав и л о , ад ре сны й ко д не со в пад ае т с и спо л ни те л ьны м ад ре со м . Вы бо р спо со бо в ад ре саци и , ф о рм и ро в ани я и спо л ни те л ьно го ад ре са и пре о бразо в ани я ад ре со в яв л яе тся о д ни м и з в а жне йш и х в о про со в разрабо тки Э ВМ е е си сте м ы ко м анд . Рассм о три м м е то д ы ад ре саци и , и спо л ьзуе м ы е в со в ре м е нны х Э ВМ . П од ра зу м ева ем ый опера нд . В ко м анд е не со д е ржи тся яв ны х указани й о б ад ре се о пе ранд а; о пе ранд по д разум е в ае тся и ф акти ч е ски зад ае тся ко д о м о пе раци и ко м анд ы . Н апри м е р, в ко м анд е У ВЕ ЛИ Ч И ТЬ Ч И СЛО НА Е ДИ НИ Ц У пе рв ы й о пе ранд (ув е л и ч и в ае м о е ч и сл о д о л же н ад ре со в атьсяяв ны м о бразо м ), а в то ро й (при ращ е ни е на е д и ни цу) – не ад ре суе тся, в пам яти Э ВМ не со д е ржи тсяи яв л яе тсяпо д разум е в ае м ы м . П од ра зу м ева ем ый а д рес. В ко м анд е не со д е ржи тся яв ны х указани й о б ад ре се уч аств ую щ е го в о пе раци и о пе ранд а и л и ад ре са, по ко то ро м у по м е щ ае тсяре зул ьтат о пе раци и , но э то т ад ре с по д разуме в ае тся. Н апри м е р, ко м анд а м о же т со д е ржать ад ре са о бо и х о пе ранд о в , уч аств ую щ и х в о пе раци и , при э то м по д разум е в ае тся, ч то ре зул ьтат о пе раци и по м е щ ае тсяпо ад ре су о д но го и з о пе ранд о в , и л и ко манд а указы в ае т то л ько ад ре с о д но го о пе ранд а, а ад ре с

38 в то ро го , ко то ры м яв л яе тсясо д е ржи м о е спе ци ал ьно го ре ги стра (назы в ае м о го ре ги стро м резул ьтата и л и аккум ул ято ро м ), по д разум е в ае тся. Анал о ги ч но в сам о й ко манд е м о жно о бо йти сь бе з указани я ад ре са сл е д ующ е й ко м анд ы в сл уч ае , ко гд а по сл е д о в ате л ьно в ы по л няе м ы е ко манд ы про грам м ы распо л агаются д руг за д руго м в сл е д ующ и х по д ряд яч е йках пам яти . В э то м сл уч ае при в ы по л не ни и ко ма нд ы под р а зу м ева ет ся, ч то ад ре с сл е д ую щ е й ко м анд ы м о же т бы ть по л уч е н и з ад ре са те кущ е й путе м е го про сто го наращ и в ани я (и нкре м е нти ро в а ни ясо д е ржи м о го сч е тч и ка ко м анд ). Н епосред ст венна яа д реса ция. В ко манд е со д е ржи тсяне ад ре с о пе ранд а, а непосред ст венно сам о пе ранд . При не по сре д ств е нно й ад ре саци и не тре буе тся о бращ е ни я к пам яти д л я в ы бо рки о пе ранд а и яч е йки д л я е го хране ни я. Э то спо со бств уе т ум е ньш е ни ю в ре м е ни в ы по л не ни я про грам м ы и зани мае м о го про грам м о й о бъе м а пам яти . Н и же буд е т рассм о тре на ре ал и заци яэ то го спо со ба ад ре саци и , и спо л ьзующ ая при о пре д е л е ни и ад ре са о пе ранд а ре ги стр-сч е тч и к ко м анд про це ссо ра. О т носит ельна я а д реса ция и л и ба зирова ние. И спо л ни те л ьны й ад ре с о пре д е л яе тся сум м о й ад ре сно го ко д а и не ко то ро го ч и сл а, назы в ае м о го ба зовым а д ресом . Ад ре сны й ко д в э то м сл уч ае и грае т ро л ь см ещения ф акти ч е ско го и спо л ни те л ьно го ад ре са от носит ельно ба зового ад ре са. Регист рова я а д реса ция. При ад ре саци и о пе ранд а и спо л ьзуе тся со д е ржи м о е указанно го в ко ма нд е како го -л и бо ре ги стра про це ссо ра. К освенна я а д реса ция. Ад ре сны й ко д ко манд ы указы в ае т ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нахо д и тся ад ре с о пе ранд а и л и ко м анд ы . Д руги м и сл о в ам и , ко св е нная ад ре саци я м о же т бы ть о пре д е л е на как «ад ре саци я ад ре са». В не ко то ры х Э ВМ и спо л ьзуе тсям но го ступе нч атаяко св е нна яад ре саци я. Н и же рассм атри в ае тсяи спо л ьзо в ани е д л яре ал и заци и разл и ч ны х м е то д о в ад ре саци и ре ги стро в про це ссо ра.

39 7.3.

Режим ы ад ре с ации с п ом ощью регис тров общего назнач е ния

1. Рег и ст ровы й м ет од адресаци и . При и спо л ьзо в ани и э то го м е то д а ад ре саци и в ко м анд е указы в ае тся ре ги стро бщ е го назнач е ни я (напри м е р, е го но м е р) и со д е ржи м о е э то го ре ги стра и нте рпре ти руе тсяпро це ссо ро м как о пе ранд . Пам ять Э ВМ ко м анд а

Ре ги стры R1

R0 R1

о пе ранд

Ри с.7.2 2. Косвенно-реги ст ровы й м ет од адресаци и . Со д е ржи м о е указанно го в ко м анд е ре ги стра и нте рпре ти руе тся про це ссо ро м как ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нах о д и тсяо пе ранд . П ам ять ЭВМ ко м анд а

.......

Ре ги стры R1

R0 R1 ад ре с о пе ранд а

.......

о пе ранд

....... Ри с.7.3 3. Авт ои нкрем ент ны й м ет од адресаци и (а д реса ция с а вт оувеличением ). Со д е ржи м о е указанно го в ко м анд е ре ги стра и нте рпре ти руе тся про це ссо ро м как ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нахо д и тсяо пе ранд (как в ко св е нно ре ги стро в о м м е то д е ), но по сл е в ы бо рки о пе ранд а со д е ржи м о е ре ги стра ув е л и ч и в ае тся (и нкре м е нти руе тся) о бы ч но на 1 и л и 2, таки м о бразо м , ч то бы указы в ать на ад ре с сл е д ующ е й по по ряд ку яч е йки па м яти . 4. Косвенно-авт ои нкрем ент ны й м ет од адресаци и . Со д е ржи м о е указанно го в ко м анд е ре ги стра и нте рпре ти руе тся про це ссо ро м как ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нахо д и тся а д рес о пе ранд а, и по сл е в ы бо рки о пе ранд а со д е ржи м о е ре ги стра (ад ре с ад ре са) ув е л и ч и в ае тся (и нкре м е нти руе тся), таки м о бразо м, ч то бы указы в ать на ад ре с сл е д ую щ е й по по ряд ку яч е йки .

40 5. Авт одекрем енны й м ет од адресаци и (а д реса ция с а вт оу м еньшением ). При и нте рпре таци и ко м анд ы со д е ржи м о е указанно го в ко м анд е ре ги стра в нач ал е ум е ньш ае тся (и нкре м е нти руе тся) о бы ч но на 1 и л и 2, по сл е ч е го уме ньш е нно е со д е ржи м о е ре ги стра и нте рпре ти руе тсяпро це ссо ро м как ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нахо д и тсяо пе ранд . 6. Косвенно-авт одекрем енны й м ет од адресаци и . При и нте рпре таци и ко м анд ы со д е ржи м о е указанно го в ко м анд е ре ги стра в нач ал е ум е ньш ае тся (и нкре м е нти руе тся), по сл е ч е го ум е ньш е нно е со д е ржи м о е ре ги стра и нте рпре ти руе тся про це ссо ро м как ад ре с яч е йки пам яти , в ко то ро й нахо д и тсяа д рес о пе ранд а. Н ал и ч и е в Э ВМ а вт оинк р ем ент ного и а вт од ек рем ент ного м е то д о в ад ре саци и по зв о л яе т, на при м е р, уд о бно о ргани зо в ы в ать рабо ту с о д но м е рны м и м асси в ам и д анны х, разм е щ е нны х в по сл е д о в ате л ьны х яч е йках пам яти . 7. Косвенная адресаци я со см ещ ени ем (и ндексны й м ет од адресаци и ). При и спо л ьзо в ани и э то го м е то д а ад ре саци и и нструкци я (ко м анд а) зани м ае т в пам яти на о д но сл о в о (яч е йку) бо л ьш е . В д о по л ни те л ьно м сл о в е ко м анд ы указы в ае тся так назы в ае м о е см е щ е ни е (и нд е ксно е сл о в о ). И сполнит ельный а д рес опера нд а опред еляет ся вэт ом слу ча е к а к су м м а сод ерж им ого у к а за нного вк ом а нд е регист ра исм ещения(инд ек сного слова ). П ам ять Э ВМ 2050 2052

ко м анд а

Ре ги стры R0

R1

100 (и нд е ксно е сл о в о )

R1

.......

....... 2100

2000

о пе ранд

.......

2100

Ри с.7.8 Т .е . ч и сл о , нах о д ящ е е ся в о в то ро м сл о в е ко м анд ы , указы в ае т см е щ е ни е ф акти ч е ско го ад ре са о пе ранд а о тно си те л ьно ад ре са, со д е ржащ е го ся в указанно м в ко м анд е ре ги стре о бщ е го назнач е ни я. Э то см е щ е ни е м о же т бы ть как по л о жи те л ьны м ч и сл о м , так и о три цате л ьны м , т.е . сд в и гать указанны й в ре ги стре ад ре с, как в сто ро ну старш и х ад ре со в , так и в сто ро ну м л ад ш и х ад -

41 ре со в . Ссы л ку на со д е ржи м о е д анно го ре ги стра как на базо в ы й ад ре с м о гут о сущ е ств л ять и д руги е ко м анд ы , и спо л ьзуя при э то м св о и знач е ни я ф акти ч е ско го см е щ е ни яад ре са. 7.4. Режим ы ад ре с ации с о с с ы лкой на регис тр-с ч е тч ик ком анд В э ти х ре жи м ах ад ре саци и при ф о рм и ро в ани и и спо л ни те л ьно го ад ре са о пе ранд а и спо л ьзуе тсяте кущ е е со д е ржи м о е регист ра -счет чик а к ом а нд . 1. Н еп осредст венны й м ет од адресаци и . При и спо л ьзо в ани и э то го ре жи м а ад ре саци и опера нд у к а зыва ет ся непосред ст венно в к ом а нд е, по сл е ко д а о пе раци и . Про це ссо р по л уч ае т в э то м сл уч ае ад ре с о пе ранд а не по сре д ств е нно и з св о е го ре ги стра–сч етч и ка ко м анд . Д л я ре ал и заци и э то го м е то д а ад ре саци и ф акти ч е ски и спо л ьзуе тся ав то и нкре м е нтны й м е то д ад ре саци и ч е ре з ре ги стр–сч е тч и к ко м анд . Д е йств и те л ьно , как уже го в о ри л о сь в ы ш е , при сч и ты в ани и про це ссо ро м и з пам яти ко м анд ы , ад ре с ко то ро й нахо д и тся в е го сч е тч и ке ко ма нд , со д е ржи мо е э то го ре ги стра ав то м ати ч е ски ув е л и ч и в ае тся и стано в и тся рав ны м ад ре су сл е д ующ е й за сч и танны м ко м анд ны м сл о в о м яч е йки пам яти , т.е . ад ре су указанно го в о в то ро м сл о в е ко м анд ы о пе ра нд а. По сл е сч и ты в ани яо пе ранд а и з э то го ад ре са про це ссо рсно в а ав то м ати ч е ски ув е л и ч и в ае т со д е ржи м о е ре ги страсч е тч и ка ко манд , по сл е ч е го е го со д е ржи м о е буд е т указы в ать на сл е д ующ ую за о пе ранд о м яч е йку пам яти , в ко то ро й м о же т разм е щ аться сл е д ующ ая ко м анд а про грам м ы . Ад ре с П ам ять ................... . СК Ад ре с 100 П ре д ы д ущ аяко м анд а 100 102

Ко д и нструкци и ко м анд ы

104

Опе ранд

106

до сч и ты в ани я ко м анд ы

по сл е сч и ты в ани я ко м анд ы

+2

СК Ад ре с 102 СК

+2 Ад ре с 104

СК

Сл е д ую щ аяко м анд а

................... . Ри с.7.9

по сл е сч и ты в ани я о пе ранд а

+2 Ад ре с 106

42 2. Абсолют ны й м ет од адресаци и . При и спо л ьзо в ани и д анно го м е то д а ад ре саци и во вт ором слове к ом а нд ы, т .е. в след у ющей за к од ом к ом а нд ы ячейк е па м ят и, ук а зыва ет ся а д рес опер а нд а . Ф акти ч е ски э то ко св е нно –ав то и нкре м е нтны й м е то д ад ре саци и ч е ре з ре ги стр–сч етч и к ко м анд . до сч и ты в ани я ко м анд ы

Ад ре с П ам ять .................... Пре д ы д ущ аяко м анд а 100 102

Ко д и нструкци и ко м анд ы

104

Ад ре с о пе ранд а 2000

СК Ад ре с 102

по сл е сч и ты в ани я ко м анд ы

по сл е сч и ты в ани я ад ре са о пе ранд а

+2

СК Ад ре с 104

+2

СК Ад ре с 106

106 .................... 2000

О пе ранд

.................... Ри с.7.10 Как о бы ч но , по сл е сч и ты в ани я про це ссо ро м и з яч е йки пам яти ко д а ко м анд ы е го ре ги стр-сч е тч и к ко м анд указы в ае т на ад ре с сл е д ую щ е й за ко д о м ко м анд ы яч е йки пам яти , и при указани и в ко ма нд е э то го м е то д а ад ре саци и про це ссо р и нте рпре ти руе т со д е ржи м о е ре ги стра–сч е тч и ка ко м анд уже как ад ре с яч е йки пам яти , со д е ржащ е й ад ре с о пе ранд а. По сл е сч и ты в ани я о пе ранд а со д е ржи м о е сч е тч и ка ко м анд сно в а а в то м ати ч е ски наращ и в ае тся(бл аго д аря и спо л ьзо в ани ю ко св е нно –ав то и нкре м е нтно го м е то д а) и стано в и тся рав ны м ад ре су сл е д ующ е й яч е йки пам яти . 3. От носи т ель ны й м ет од адресаци и . В о вт ором слове к ом а нд ы у к а зыва ет ся от носит ельный а д рес опера нд а , т.е . в е л и ч и на см е щ е ни я ад ре са о пе ранд а о тно си те л ьно ад ре са сам о й ко м анд ы (те кущ е го со д е ржи м о го ре ги стра-сч е тч и ка ко м анд про це ссо ра).

43 до сч и ты в ани я ко м анд ы

Ад ре с Пам ять ............... ..... П ре д ы д ущ аяко м анд а 100 102

Ко д и нструкци и ко м анд ы

104

См е щ е ни е 200

............... ..... 306

СК Ад ре с 102 СК +

по сл е сч и ты в ани я ко м анд ы

по сл е сч и ты в ани я см е щ е ни я

+2 Ад ре с 104

СК

+2 Ад ре с 106

Опе ранд

............... ..... Ри с.7.10

7.5. Стек. О рганизация с тека в п ам я ти Э В М С т ек – э то о д и н и з спо со бо в о ргани заци и пам яти , о тл и ч аю щ и йсяо т уже рассм о тре нно й в ы ш е о ргани заци и пам яти с произвольным д ост у пом . Как уже го в о ри л о сь, в пам ять с про и зв о л ьны м д о ступо м пре д став л яе т со бо й набо р о д и нако в ы х яч е е к пам яти , д о ступ к ко то ры м д л я ч те ни я и л и запи си о сущ е ств л яе тся неза висим о от их ра сполож ения в пам яти путе м у к а за ния а д реса тре буе м о й яч е йки пам яти . Пам ять Э ВМ , о ргани зо в аннаяв в и д е сте ка, также в кл юч ае т в се бяо пре д е л е нно е ко л и ч е ств о о д и нако в ы х запо м и нающ и х яч е е к, о д нако д о ступ к э ти м яч е йкам д л язапи си и л и ч те ни яне м о же т о сущ е ств л ятьсяпро и зв о л ьны м о бразо м , т.е . в л юбо е в ре м як л юбо й яч е йке . Д о ступ к яч е йкам сте ка о сущ е ств л яе тсяне по а д реса м яч е е к, а то л ько ч е ре з так назы в ае м ую «вершину ст ек а » – яч е йку пам яти сте ка, д о ступную в д анны й м о м е нт в ре м е ни . П рипослед ова т ельной за писи д а нных (к од ов, чисел) в ст ек за гру ж а ем ые д а нные послед ова т ельно пом еща ют ся на «вершину ст ек а », при эт ом р а нее за писа нные зна чения к а к бы п рот алки вают ся вглу бь ст ек а . В к а ж д ый м ом ент врем ени д ля чт ения в ст ек е д ост у пно т ольк о слово, на ход ящееся на его вершине. П ри эт ом прочит а т ь слово, на ход ящееся на вершине ст ек а , м ож но т ольк о од ин ра з, т а к к а к после чт ения эт о слово «выт а лк ива ет ся» из ст ек а и на его вершине ок а зыва ет ся слово, за писа нное перед выт олк ну -

44 т ым . Та к им обра зом , за писа нные в ст ек д а нные м огут быт ь послед ова т ельно пр очит а ны т ольк о в поряд к е, обра т ном поряд к у их за писи в ст ек пу т ем послед ова т ельного «выт а лк ива ния» эт их д а нных из глу бины ст ек а на его вершину . П риэт ом инф орм а ция о выт олк ну т ых д а нных т ер яет ся. Обы ч но тако й спо со б д о ступа к д анны м ко ро тко ф о рм ул и руют в в и д е : «послед ним пр ишел– пер вым вышел». Анал о ги ч но е щ е о д и н и спо л ьзуе м ы й в Э ВМ спо со б о ргани заци и д анны х, назы в ае м ы й о ч е ре д ью, ф о рмул и руют в в и д е : «первым пришел – первым вышел» (и л и «послед ним пр ишел– послед ним вышел»). Остав л яя по ка в сто ро не в о про сы це л е со о бразно сти и спо л ьзо в ани ясте ка про це ссо ро м Э ВМ , рассмо три м ре ал и заци ю э то го , как буд е т в и д но ни же , в ажно го в и д а пам яти . Обы ч но в Э ВМ сте к ре ал и зуе тсяв ад ре сно м про странств е е е о пе рати в но й пам яти в ы д е л е ни е м по д не го о пре д е л е нно го ко л и ч е ств а по сл е д о в ате л ьны х яч е е к. Спе ци ф и ч е ски й спо со б д о ступа к яч е йкам пам яти , в ы д е л е нны м по д сте к, о сущ е ств л яе тся путе м спе ци ал ьно го ре жи м а ад ре саци и с и спо л ьзо в ани е м о д но го и з ре ги стро в про це ссо ра, назы в ае м о го реги ст ром –указат елем ст ека (УС и л и SP). При рабо те со сте ко м сод ерж им ое регист ра – у к а за т еля ст ек а инт ерпрет иру ет ся процессором к а к а д р ес «вершины ст ек а ». Бо л е е то ч но – как ад ре с в ы д е л е нно й по д сте к яч е йки пам яти , в ко то ро й нахо д и тсяч и сл о , запи санно е в сте к по сл е д ни м . В св язи с э ти м про це д ура нач ал ьно й устано в ки со сто яни я сте ка и спо л ьзующ е й е го про грам м о й (о пре д е л е ни е в ы д е л яе мо й по д сте к о бл асти пам яти ) со сто и т в нач ал ьно й устано в ке ре ги стра – указате л я сте ка, а и м е нно , запи си в не го ад ре са яч е йки пам яти , яв л яющ е йся «в е рш и но й» пусто го сте ка. Общ е при няты м яв л яе тся запо л не ни е сте ка д анны м и в сто ро ну ум е ньш е ни яад ре со в е го яч е е к. Запи сь ч и сл а в сте к, о ргани зо в анны й в пам яти Э ВМ , и л л юстри руе тся на ри с.7.11. Внач ал е про це ссо р ко рре кти руе т со д е ржи м о е ре ги стра-указате л я сте ка, см е щ аяе го на о д ну яч е йку в сто ро ну ум е ньш е ни яад ре со в (при ч е тны х ад ре сах яч е е к пам яти ум е ньш аяе го на д в а), по сл е ч е го в указы в ае м ую э ти м ре ги стро м яч е йку пам яти пе ре сы л ае тсязапи сы в ае м о е ч и сл о .

45 а) Сте к пусто й УС

УС 776

-2

. . . .

-2

774

. пам . я.ть . 770 772 774 776

б) Сте к по сл е загрузки ч и сл а 543

в ) Сте к по сл е загрузки ч и сл а 126

УС

772

. пам . я.ть . 770 772 774 776

543

. . . .

. пам . я.ть . 770 772 774 776

126 543

. . . .

Ри с.7.11 При засы л ке в сте к сл е д ующ е го ч и сл а о пять про и схо д и т ко рре кци я, т.е . уме ньш е ни е со д е ржи м о го указате л ясте ка, и запи сь сл е д ующ е го ч и сл а уже в но в ую яч е йку пам яти . Т аки м о бразо м , регист р – ук а за т ель ст ек а всегд а сод ерж ит а д рес послед ней за писа нной ячейк и ст ек а , т .е. у к а зыва ет на вершину ст ек а . М е то д ад ре саци и яч е е к пам яти , ко то ры й и спо л ьзуе тсяпри засы л ке ч и се л в сте к, но си т назв ани е к освенна я а д реса ция через регист р (в д а нном слу ча е у к а за т ель ст ек а ) с пред ва рит ельным а вт оу м еньшением его сод ерж им ого (рассмо тре нны й в ы ш е а в то д е кре м е нтны й м е то д ад ре саци и ). В не ко то ры х Э ВМ такая ад ре саци я м о же т и спо л ьзо в аться с л юбы м и з ре ги стро в о бщ е го назнач е ни япро це ссо ра. Ч те ни е и нф о рм аци и и з сте ка и л и , как е щ е го в о рят, в ы тал ки в ани е ч и сл а и з сте ка про и схо д и т сл е д ующ и м о бразо м (см. ри с.7.12). Ч и сл о про ч и ты в ае тся и з яч е йки памяти , ад ре с ко то ро й нахо д и тся в ре ги стре –указате л е сте ка, по сл е ч е го со д е ржи мо е э то го ре ги стра ав то м ати ч е ски ко рре кти руе тся в сто ро ну ув е л и ч е ни я ад ре со в . При про ч те ни и сл е д ующ е го ч и сл а про и зв о д и тсяанал о ги ч наяо пе раци я.

46 а) Ч те ни е ч и сл а и з в е рш и ны сте ка УС 772

+2

б) П о сл е сч и ты в ани я в ) Запи сь в сте к ч и сл а ч и сл а 361 УС УС -2 774 772

. пам . я.ть . 770 772 774 776

126 543

. . . .

. пам . я.ть . 770 772 774 776

126 543

. . . .

. пам . я.ть . 770 772 774 776

361 543

. . . .

Ри с.7.12 Сл е д уе т о брати ть в ни м ани е на то , ч то хо тя при сч и ты в ани и ч и сл а и з в е рш и ны сте ка и спо л ьзуе тся те рм и н «выт а лк ива ние», сам о ч и сл о и з яч е йки сте ка ни куд а не д е в ае тся. Про сто ко рре кци яре ги стра–указате л ясте ка д е л ае т со д е ржи м о е э то й яч е йки не д о ступны м с по м о щ ью м е хани зм а рабо ты со сте ко м . При запи си в сте к о ч е ре д но го ч и сл а, как по казано на ри с.7.12в , о но буд е т запи сано по ад ре су ч и сл а, в ы то л кнуто го (сч и танно го ) и з сте ка не по сре д ств е нно пе ре д э ти м . М е то д ад ре саци и яч е е к пам яти , и спо л ьзуе м ы й при чт ениич и се л и з сте ка, назы в ае тся к освенной а д р еса цией чер ез р егист р (в д а нном слу ча е регист ру к а за т ель ст ек а ) с пр ед ва рит ельным а вт оу величением (рассм о тре нны й в ы ш е ав то и нкре м е нтны й м е то д ад ре саци и ). При в е д е нны е в ы ш е м е то д ы ад ре саци и о пе ранд о в яв л яются ти пи ч ны м и д л ябо л ьш и нств а Э ВМ разл и ч ны х ти по в , хо тяи спо л ьзуе м ы й д л яи х ре ал и заци и ф о рм ат ко м анд м о же т сущ е ств е нно разл и ч аться, при э то м в кажд о м ко нкре тно м ти пе Э ВМ о ни м о гут д о по л няться и д руги м и бо л е е и зо щ ре нны м и м е то д ам и ад ре саци и , ув е л и ч и в ающ и м и ги бко сть о ргани заци и разл и ч ны х структурд анны х при про грам м и ро в ани и .

47 7.6. Контрольны е в оп рос ы Т и пы ко ма нд Э ВМ . Какаяи нф о рм аци яко д и руе тсяв ко м анд е Э ВМ ? Каки е про бл е м ы при хо д и тсяре ш ать при ко д и ро в ани и ко м анд Э ВМ ? Ч то тако е ад ре саци яо пе ранд о в , м е то д ы ад ре саци и ? Ч то тако е ад ре сны й ко д , и спо л ни те л ьны й ад ре с, ч е м о тл и ч аются э ти по няти я? 6. Д л яч е го в Э ВМ не о бхо д и м о нал и ч и е разно о бразны х м е то д о в ад ре саци и о пе ранд о в ? 7. Ч то тако е по д разум е в ае м ы й о пе ранд , по д разум е в ае м ы й ад ре с? 8. Н е по сре д ств е ннаяад ре саци я. 9. Абсо л ютнаяад ре саци я. 10. Отно си те л ьнаяад ре саци я. 11. Ре ги стро в аяад ре саци я. 12. Ко св е ннаяад ре саци я. 13. Ре ги стро в ы й и ко св е нно -ре ги стро в ы й м е то д ы ад ре саци и . 14. Ко св е ннаяад ре саци ясо см е щ е ни е м . 15. М е то д ы ад ре саци и , и спо л ьзующ и е сч е тч и к ко м анд при ф о рми ро в ани и и спо л ни те л ьно го ад ре са о пе ранд а. 16. И спо л ьзо в ани е ре ги стра-сч е тч и ка ко м анд при ре ал и заци и не по сре д ств е нно го , абсо л ютно го и о тно си те л ьно го м е то д о в ад ре саци и . 17. Како й м е то д ад ре саци и сл е д уе т и спо л ьзо в ать в пе ре ме щ ае м о й про грам м е д л яад ре саци и д анны х, распо л о же нны х в те л е про грам м ы ? 18. Како й м е то д ад ре саци и сл е д уе т и спо л ьзо в ать в пе ре ме щ ае м о й про грам м е д л яад ре саци и ре ги стро в в не ш ни х устро йств ? 19. Ч то тако е сте к? 20. Органи заци ясте ка в о пе рати в но й пам яти Э ВМ . 21. Д л яч е го и спо л ьзуе тсясте ко в аяпам ять? 22. Про и л л юстри руйте и зм е не ни е со сто яни я э л е м е нто в про це ссо ра при по сл е д о в ате л ьно й запи си в сте к тре х ч и се л . 23. Каки е ме то д ы ад ре саци и м о жно и спо л ьзо в ать д л я запи си ч и сл а в сте к, д л яч те ни яч и сл а и з сте ка? 1. 2. 3. 4. 5.

48 8. Команд ы уп рав ления в ы п олнением п рограм м ы 8.1. Ком анд ы безус лов ной и ус лов ной п еред ач и уп рав ления К ом а нд ы у пра вления выполнением програ м м ы и м е ют бо л ьш о е знач е ни е , по ско л ьку о ни по зв о л яют в м е ш и в атьсяв про це сс ав то м ати ч е ско го ф о рм и ро в ани япро це ссо ро м ад ре са сл е д ующ е й в ы по л няе м о й ко м анд ы . Как уже го в о ри л о сь в ы ш е , процессор всегд а выбира ет очеред ну ю к ом а нд у из т ой ячейк и па м ят и, а д рес к от орой в д а нный м ом ент на ход ит ся в р егист ре-счет чик е к ом а нд . Осущ е ств л яя со о тв е тств ующ е е и зм е не ни е со д е ржи м о го ре ги стра–сч е тч и ка ко манд про це ссо ра, ко м анд ы пе ре д ач и управ л е ни я по зв о л яют в м е сто три в и ал ьно й по сл е д о в ате л ьно й в ы бо рки ко м анд и з пам яти ре ал и зо в ать пе ре хо д ы в нужны е то ч ки про грам м ы . Пе ре хо д ы на ад ре с, зад ав ае м ы й ко м анд а м и пе ре д ач и управ л е ни я, м о гут бы ть безу словным и, т.е . в ы по л няе м ы м и в л юбо м сл уч ае , и у словным и. Вы по л не ни е и л и не в ы по л не ни е по сл е д ни х зав и си т о т ре зул ьтата в ы по л не ни я про це ссо ро м ко м анд ы , пре д ш е ств ующ е й ко м анд е усл о в но го пе ре хо д а, напри ме р, ко м анд а – ВЕ ТВ ЛЕ НИ Е , Е СЛИ Р Е ЗУЛЬТАТ ОП Е Р АЦ И И Р АВЕ Н НУЛЮ . Ко м анд ы бе зусл о в ны х и усл о в ны х пе ре хо д о в по зв о л яют о бе спе ч и в ать, в ч астно сти , в о зм о жно сть ре ал и заци и таки х в ажны х ко нструкци й про грам м и ро в ани я, как ци клы . Как в и д но и з в ы ш е сказанно го , д е йств и е м , со в е рш ае м ы м э ти м и ко м анд ам и , яв л яе тся прину д ит ельное изм енение сод ерж им ого регист ра -счет чик а к ом а нд про це ссо ра в со о тв е тств и и со знач е ни е м зад ав ае м о го в ко м анд е те м и л и и ны м о бразо м ад ре са пе ре хо д а к д руго й ко м анд е про грам м ы . При указани и м е ста пе ре х о д а о бы ч но и спо л ьзуют д в а спо со ба: в пе рв о м указы в ают а бсолют ный ад ре с, на ко то ры й сл е д уе т о сущ е ств и ть пе ре хо д , в о в то ро м величину см ещения ад ре са пе ре хо д а о тно си те л ьно те кущ е го знач е ни я сч е тч и ка ко м анд , т.е . ад ре са само й ко м анд ы пе ре хо д а. Пе рв ы й спо со б о бе спе ч и в ае т в о зм о жно сть пе ре д ач и управ л е ни я в л юбую то ч ку ад ре сно го про странств а, но тре буе т бо л ьш е ме ста д л я разм е щ е ни я ко м анд ы и бо л ьш е в ре ме ни на е е в ы по л не ни е . Вто ро й спо со б о бе спе ч и в ае т бо л е е ко м пактно е ко д и ро в ани е ко м анд пе ре хо д а, так как о бы ч но д л я указани я см е щ е ни я и спо л ьзуют в се го о д и н байт. Указы в ае мо е в ко м анд е см е щ е ни е м о же т бы ть как по л о жи те л ьны м , так и о три цате л ьны м ч и сл о м , бл аго д аря ч е м у бе зусл о в но е и л и усл о в -

49 но е в е тв л е ни е в про грам м е мо же т о сущ е ств л яться как в сто ро ну старш и х, так и в сто ро ну м л ад ш и х ад ре со в о тно си те л ьно те кущ е го со д е ржи м о го сч е тч и ка ко м анд . При э то м , е сл и д л яуказани ясм е щ е ни яи спо л ьзуе тсяо д и н байт, м акси м ал ьная в е л и ч и на см е щ е ни я о казы в ае тся о грани ч е нно й д и апазо но м ± 128 яч е е к пам яти . В си сте м е ко м анд ЭВМ сущ е ств уе т це л ы й набо р разно о бразны х ко м анд усл о в ны х в е тв л е ни й. Э то ко манд ы , о сущ е ств л яющ и е пе ре хо д в сл уч ае , напри м е р, ко гд а ре зул ьтат пре д ы д ущ е й о пе раци и рав е н нул ю , бо л ьш е нул я, бо л ьш е и л и рав е н нул ю, м е ньш е нул я и т.д . Каки м же о бразо м в про це ссо ре о сущ е ств л яе тся анал и з ре зул ьтата пре д ы д ущ е й о пе раци и при в ы по л не ни и ко м анд усл о в ны х пе ре хо д о в ? Как уже го в о ри л о сь в ы ш е , по сл е в ы по л не ни я про це ссо ро м кажд о й ко м анд ы в зав и си м о сти о т е е ре зул ьтата устанав л и в а ются разряд ы –при знаки (ф л аги ) Z, N, V и C ре ги стра со сто яни япро це ссо ра. Н апри м е р, по сл е в ы по л не ни я ко м анд ы CMP (срав не ни е д в ух о пе ранд о в ) по со сто яни ю ф л ажко в ре ги стра со сто яни я про це ссо ра м о жно о пре д е л и ть со о тно ш е ни е в е л и ч и н срав ни в ае м ы х о пе ранд о в : ра вны, не ра вны, больше, м еньше и т.д . При в ы по л не ни и ко м анд усл о в ны х в е тв л е ни й про це ссо р а на лизиру ет соот вет ст вие ф ла ж к ов регист ра сост ояния процессора за д а ва ем ом у к ом а нд ой у словию и при в ы по л не ни и э то го усл о в и яо сущ е ств л яе т м о д и ф и каци ю св о е го ре ги страсч е тч и ка ко м анд на в е л и ч и ну зад ав ае м о го в ко м анд е см е щ е ни я (по л о жи те л ьно го и л и о три цате л ьно го ). При не в ы по л не ни и зад анно го усл о в и я со д е ржи м о е сч е тч и ка ко м анд не ко рре кти руе тся и про и схо д и т о бы ч ная в ы бо рка сл е д ующ е й по по ряд ку ко м анд ы . Бо л ьш о е ко л и ч е ств о разно о бразны х ко м анд усл о в ны х в е тв л е ни й по зв о л яе т о брабаты в ать пе ре хо д ы по в се м в о змо жны м усл о в и ям , касающ и м ся ре зул ьтата пре д ы д ущ е й о пе раци и : ра вно/не ра вно (ну лю), больше/м еньше, не больше, не м еньше и т.д ., при ч е м при и нте рпре таци и срав ни в ае м ы х о пе ранд о в как ч и се л бе з знака, так и ч и се л со знако м , а также в зав и си м о сти о т нал и ч и я и л и о тсутств и я пе ре но са и з старш е го разряд а и ари ф ме ти ч е ско го пе ре по л не ни я.

50 8.2. Контрольны е в оп рос ы 1. Ко м анд ы бе зусл о в но й и усл о в но й пе ре д ач и управ л е ни я (бе зусл о в но го и усл о в ны х пе ре хо д о в ), и х назнач е ни е , каки е э л е м е нты про це ссо ра и спо л ьзуютсяпри и х в ы по л не ни и и каки м о бразо м ? 2. Какую ро л ь при в ы по л не ни и ко м анд усл о в ны х в е тв л е ни й и грае т ре ги стр со сто яни япро це ссо ра?

9. П од п рограм м ы . Ис п ользов ание с тека п ри в ы зов е п од п рограмм и в озв рате из них 9.1. П роблем ы реализации п од п рограм м П од програ м м ой о бы ч но назы в ают ч асть про грам м ы , к ко то ро й м о жно м но го кратно о бращ аться и з д руги х, при ч е м разны х , ме ст о сно в но й про грам м ы с по сл е д ующ и м в о зв рато м в м е сто , о ткуд а про и зо ш е л в ы зо в (см. ри с.9.1).

Пам ять Вы з ов п одп р огр а м м ы

Вы з ов п одп р огр а м м ы

Вы з ов п одп р огр а м м ы

На ча ло п одп р огр а м м ы

Воз вр а т из п одп р огр а м м ы

Ри с.9.1 И спо л ьзо в ани е м е хани зм а по д про грам м яв л яе тся э ф ф е кти в ны м сре д ств о м , по зв о л яющ и м сущ е ств е нно э ко но м и ть зани м ае м ы й про грамм о й о бъе м пам яти , устраняя д убл и ро в ани е в про грам м е м но го кратно в ы по л няе м ы х

51 о д и нако в ы х д е йств и й путе м о бращ е ни я к о д но м у и то м у же про грам м но м у м о д ул ю, о ф о рм л е нно м у в в и д е по д про грамм ы . И спо л ьзо в ани е по д про грам м также знач и те л ьно о бл е гч ае т напи сани е бо л ьш и х про грам м , по ско л ьку и з по д про грам м м о жно со став л ять би бл и о те ки д л я о бщ е го и спо л ьзо в ани я. Н а язы ках в ы со ко го уро в ня э кв и в ал е нтны м по д про грамм е ко нструкци ям и яв л яютсяпро це д уры и ф ункци и . Оч е в и д но , ч то при ре ал и заци и м е х ани зм а рабо ты с по д про грам м ам и сущ е ств е нны м и яв л яются д в а м о м е нта: вызов под програ м м ы, т.е . пе ре д ач а управ л е ни я на ад ре с пе рв о й ко м а нд ы по д про грам м ы , и возвра т из под програ м м ы, т.е . пе ре хо д к ко ма нд е , ад ре с ко то ро й яв л яе тся сл е д ую щ и м за ко м анд о й в ы зв ав ш е й по д про грам м у. При э то м сл е д уе т зам е ти ть, ч то бо л е е сл о жно й зад ач е й яв л яе тся ре ш е ни е про бл е м ы возвра т а и з по д про грам м ы . Д е л о в то м , ч то а д рес возвра т а из под програ м м ы за ра нее не извест ен и же стко св язан с ад ре со м ко м анд ы в ы зо в а по д про грам м ы . Э то д е л ае т невозм ож ным у к а за ние эт ого а д реса в к ом а нд е, осу щест вляющей возвра т из под програ м м ы. По л о же ни е о сл о жняе тся те м , ч то на практи ке в ы зо в ы по д про грам м м о гут о казаться влож енным и д руг в д руга, т.е . в про це ссе в ы по л не ни я по д про грам м ы м о же т бы ть о сущ е ств л е н пе ре хо д на д ругую, е щ е о д ну по д про грам му и т.д ., как э то по казано на ри с.9.2. Сте пе нь в л о же нно сти по д про грам м д руг в д руга м о же т бы ть про и зв о л ьно й и , ч то в ажно , м о же т бы ть в о о бщ е не и зв е стна про грам м и сту, и спо л ьзую щ е м у в ы зо в го то в о й по д про грам м ы , напи санно й ке м -то д руги м .

. . . . . . . . . .

О сно в ная про грам м а .... ....... .... ....... .... ....... .... ....... .... ....... . . .вы . .з.ов ..... .... ....... .... ....... .... ....... .... .......

П о д про грам м а 1 . . . на . . ча . . ло ..... ............ ............ ............ ............ . . . .вы . .з.ов ..... ............ ............ ............ . . .воз . . .вр. .а .т . . .

П о д про грам м а 2 . . . . . . . . . .

. . на . . ча . . ло ..... .... ....... .... ....... .... ....... .... ....... . . .вы . .з.ов ..... .... ....... .... ....... .... ....... . .воз . . .вр. .а .т . . .

П о д про грам м а 3 . . . на . . ча . . ло . .... ........ .... ........ .... ........ .... ........ .... ........ .... ........ .... ........ .... ........ .... . . .воз . . .вр. .а .т . . .

Ри с.9.2 Рассм о три м , каки м о бразо м м о гут бы ть ре ш е ны указанны е в ы ш е про бл е м ы вызова по д про грам м ы и возвра т а и з не е .

52 9.2. Реализация в ы зов а п од п рограм м и в озв рата в ос нов ную п рограм м у Ад ре с яч е йки пам яти , на ко то рую сл е д уе т в о зв рати ться и з по сл е в ы по л не ни я по д про грам мы , стано в и тся и зв е стны м в м о м е нт о брабо тки про це ссо ро м ко м анд ы В Ы ЗОВ П ОДП Р О ГР АМ М Ы . Ф акти ч е ски э то ад ре с ко м анд ы , сл е д ующ е й за ко м анд о й в ы зо в а по д про грам м ы . М ы знае м , ч то в м о м е нт по сл е в ы бо рки э то й ко м анд ы и з пам яти в ре ги стрко м анд про це ссо ра ад ре с, нахо д ящ и йсяв э то в ре м яв ре ги стре –сч е тч и ке ко м анд про це ссо ра, яв л яе тсяад ре со м сл е д ующ е й по по ряд ку ко м анд ы . Д руги м и сл о в ам и , в м о м е нт, ко гд а про це ссо р при ступае т к и нте рпре таци и ко м анд ы в ы зо в а по д про грам м ы , нужны й нам ад ре с в о зв рата и з по д про грам м ы нахо д и тся в регист ресчет чик е к ом а нд процессора . По э то м у в по л не е сте ств е нны м д л я о бе спе ч е ни я в про це ссе в ы по л не ни я ко м анд ы В Ы ЗОВ П ОДП Р ОГР АМ М Ы в о зм о жно сти прав и л ьно го в о зв рата и з э то й по д про грам м ы яв л яе тся пре д в ари те л ьно е со х ране ни е в о пре д е л е нно м м е сте те кущ е го со д е ржи м о го сч е тч и ка ко м анд (ад ре са в о зв рата) пе ре д те м , как о но буд е т заме щ е но ад ре со м нач ал а по д про грам м ы . Т е пе рь д л я в о зв рата и з по д про грам м ы м о жно и спо л ьзо в ать э то т пре д в ари те л ьно со х ране нны й ад ре с в о зв рата. Сл е д ую щ и м в ажны м в о про со м , ко то ры й д о л же н бы ть ре ш е н, яв л яе тся о пре д е л е ни е м е ста, в ко то ро м д о л же н бы ть со хране н ад ре с в о зв рата и з по д про грам м ы . При э то м сл е д уе т уч е сть, ч то е сл и м ы хо ти м ре ал и зо в ать в о зм о жно сть и спо л ьзо в ани я в л о же нны х по д про грам м , то , в о -пе рв ы х , м ы д о л жны запо м и нать не од ин ад ре с в о зв рата, а ад ре са в о зв рата и з к а ж д ой в ы зы в ае м о й по д про грам м ы , и , в о -в то ры х, ч то бы не наруш ать л о ги ку про грам м ы , со хране нны е ад ре са в о зв рата д о л жны и зв л е каться д л я и спо л ьзо в ани я в по ряд ке , прот ивополож ном по ряд ку и х запо м и нани я при по сл е д о в ате л ьно м в хо д е в о в л о же нны е по д про грам м ы . Та к им м ест ом , в к от ором у д обно осу щест влят ь за пом ина ние а д ресов возвра т а , являет ся ст ек. Со бств е нно не о бхо д и м о сть ре ал и заци и м е х ани зм а рабо ты с по д про грам м ам и и яв л яе тся при ч и но й (хо тя и не е д и нств е нно й) в в е д е ни яв арх и те ктуру Э ВМ пам яти , о ргани зо в анно й в в и д е сте ка. Пре д став л яя со бо й запо м и нающ ую структуру с о д но й то ч ко й в х о д ав ы х о д а – в е рш и но й сте ка, сте к по зв о л яе т е сте ств е нны м о бразо м ре ш и ть про бл е м у запо м и нани яад ре са в о зв рата (засы л ка в сте к) при в ы зо в е по д про -

53 грам м ы и в о зв рата и з по д про грам м ы по э то м у ад ре су, и зв л е кае м о м у (в ы тал ки в ае м о м у) и з сте ка. При нци п о ргани заци и сте ка: послед ним пришел – первым вышел, как не л ьзя л уч ш е по д хо д и т д л я ре ал и заци и м е хани зм а в л о же нны х по д про грам м : при послед ова т ельном вход е в под прогр а м м ы а д реса возвра т а послед ова т ельно за сыла ют ся в ст ек , а при выход е из под програ м м выт а лк ива ют ся из ст ек а впоряд к е, прот ивополож ном их за писивст ек . В Э ВМ ав то м ати заци я э ти х д е йств и й при о бращ е ни и к по д про грам м ам о сущ е ств л яе тся с по м о щ ью и м е ю щ е йся в си сте м е ко м анд л юбо й ЭВМ пары ко м анд – э то ко м анд а ВЫ ЗОВ П ОДП Р О ГР АМ М Ы , ко то рая в разны х Э ВМ м о же т и м е ть м не м о ни ку CALL , JSR, JSB, и ко м анд а В ОЗВ Р АТ И З П ОДП Р О ГР АМ М Ы ( RETURN, RET, RTS, RSB). Аргум е нто м ко м анд ы В Ы ЗО В П ОДП Р ОГР АМ М Ы сл ужи т ад ре с в хо д а в по д про грам му (ад ре с пе рв о й ко м анд ы по д про грам м ы ), зад ав ае м ы й л юбы м при е м л е м ы м м е то д о м ад ре саци и . Н а ри с.9.3 по казано по сл е д о в ате л ьно е и зм е не ни е со сто яни я ре ги страсч е тч и ка ко м анд (СК), ре ги стра-указате л я сте ка (УС) и яч е е к пам яти сте ка при в л о же нны х в ы зо в ах по д про грам м и в о зв рате и з ни х. При в ы по л не ни и ко м анд ы В Ы ЗОВ П ОДП Р ОГР АМ М Ы про це ссо ро сущ е ств л яе т сл е д ующ и е д е йств и я: • т ек у щее сод ерж им ое регист р а -счет чик а к ом а нд процессора (а д рес, на к от орый необход им о верну т ьсяизвызыва ем ой под програ м м ы) пересыла ет ся вст ек ; • за д а ва ем ый вк ом а нд е вызова под програ м м ы а д рес вход а впод програ м м у пом еща ет сяврегист р-счет чик к ом а нд . • после эт ого, к а к обычно, из па м ят и счит ыва ет ся к ом а нд а , а д рес к от орой на ход ит ся в счет чик е к ом а нд , т .е. перва я к ом а нд а под програ м м ы, и на чина ет ся выполнение под програ м м ы. Ко м анд о й ВОЗВ Р АТ И З П ОДП Р О ГР АМ М Ы д о л жна зав е рш аться л юбая по д про грам ма. • П олу чивэт у к ом а нд у , процессор извлек а ет (выт а лк ива ет ) из ст ек а за писа нный т у д а ра нее к ом а нд ой В Ы ЗО В П ОДП Р ОГР АМ М Ы а д рес возвра т а и пом еща ет его всвой регист р-счет чик к ом а нд . • Тем са м ым у пра вление пер ед а ет ся к ом а нд е, след у ющей за к ом а нд ой вызова под програ м м ы.

54

1. П е ре д в ы бо рко й ко м анд ы CALL 2000

СК

1242

УС

774

771 772 773 774

.. .. .. ..

... ... ... ...

... ... ... ...

Сте к 2. П о сл е в ы по л не ни яко м анд ы CALL 2000

СК

2000

УС

773

771 772 773 774

.. .. .. ..

...... ...... 1243 . . ......

3. П е ре д в ы бо рко й ко м анд ы CALL 3000

СК

2002

СК

3000

771 . . . . . . . . 772 . . . . . . . . 773 . . 1243 . . 773 УС 774 . . . . . . . . 4. П о сл е в ы по л не ни яко м анд ы CALL 3000

Осно в ная про грам м а 1240 . . . . . . . . 1241 . . . . . . . . 1242 CALL 2000 1243 . . . . . . . . 1244 . . . . . . . . 1245 . . . . . . . . 1246 . . . . . . . . 1247 . . . . . . . .

... П о д про гр. № 1 2000 . . . . . . . . 2001 . . . . . . . . 2002 CALL 3000 2003 . . . . . . . . 2004 . . . . . . . . 2005 . . . . . . . . 2006 . . . . . . . . 2007 RETURN

...

771 . . . . . . . . 772 . . 2003 . . 773 . . 1243 . . УС 772 774 . . . . . . . . 5. П е ре д в ы бо ко й ко м анд ы RETURN

П о д про гр. № 2 3000 . . . . . . . . 3001 . . . . . . . . 3002 . . . . . . . . 3003 . . . . . . . . 3004 . . . . . . . . 3005 . . . . . . . . 3006 . . . . . . . . 3007 RETURN

СК

3006

СК

2003

771 . . . . . . . . 772 . . 2003 . . .. 773 .. .. 1243 773 УС ...... 774 7. П о сл е в ы по л не ни я ко м анд ы RETURN

CALL — пе ре хо д к по д про грам м е по указанно м у в ко м анд е ад ре су

СК

1243

RETURN — в о зв рат и з по д про грам м ы

УС

774

771 . . . . . . . . 772 . . 2003 . . .. 773 .. .. .1243 772 УС ..... 774 6. П о сл е в ы по л не ни я ко м анд ы RETURN

771 . 772 . 773 . 774 .

....... . 2003 . . . 1243 . . ....... Сте к

Ри с. 9.3

55 9.3. Контрольны е в оп рос ы 1. Ч то тако е по д про грам мы , д л яч е го о ни нужны ? 2. Каки е про бл е м ы не о бхо д и м о ре ш и ть д л яо бе спе ч е ни я в о зм о жно сти рабо ты с по д про грам м ам и ? 3. Ч то тако е в л о же нны е по д про грам м ы ? 4. Какую ро л ь при ре ал и заци и м е хани зм а по д про грамм и грае т сте к? 5. По ч е м у д л я пе ре хо д а к по д про грам м е не и спо л ьзуют ко м анд ы бе зусл о в но го и л и усл о в ны х пе ре х о д о в ? 6. Ч то про и сх о д и т при в ы по л не ни и про це ссо ро м ко м анд ы В Ы ЗО В П ОДП Р ОГР АМ М Ы ? 7. Ч то про и схо д и т при в ы по л не ни и про це ссо ро м ко м анд ы ВОЗВ Р АТ И З П ОДП Р О ГР АМ М Ы ?

10. О с обе ннос ти RISC-архитектуры 10.1. Э В М с рас ш ире нны м и с окращенны м набором ком анд . Од ни м и з на прав л е ни й разв и ти яарх и те ктуры Э ВМ , направ л е нны м на по в ы ш е ни е и х про и зв о д и те л ьно сти , яв л яе тся усл о жне ни е структуры про це ссо ро в путе м ра сширения си сте м ы (набо ра) в ы по л няе м ы х и м ко м анд , в в е д е ни я бо л е е сл о жны х ко м анд , в ы по л няющ и х о пе раци и , в се бо л е е при бл и жаю щ и е ся к при м и ти в ам язы ко в в ы со ко го уро в ня, ув е л и ч е ни я ч и сл а м е то д о в ад ре саци и и т. д . Од нако расш и ре ни е и усл о жне ни е набо ра ко м анд по ро жд ае т и ряд не же л ате л ьны х по бо ч ны х э ф ф е кто в , в ряд е сл уч ае в св о д ящ и х на не т в ы и гры ш о т в в е д е ни я бо л е е сл о жны х ко м анд , в то м ч и сл е и с то ч ки зре ни я ум е ньш е ни я в ре м е ни в ы по л не ни япро грам м . Д е л о в то м, ч то расш и ре ни е набо ра ко м анд , ув е л и ч е ни е ч и сл а спо со бо в ад ре саци и , в в е д е ни е сл о жны х ко м анд со про в о жд ае тся ув е л и ч е ни е м д л и ны ко д а ко манд ы (в пе рв ую о ч е ре д ь, ко д а о пе раци и ), при в о д и т к ув е л и ч е ни ю ч и сл а ф о рм ато в ко м анд . Это , в св о ю о ч е ре д ь, в ы зы в ае т усл о жне ни е и зам е д л е ни е про це сса д е ш и ф раци и ко д а о пе раци и и д руги х про це д ур о брабо тки ко м анд . При ч е м э то касае тся не то л ько д о бав л яе м ы х усл о жне нны х ко м а нд , но , к со жал е ни ю, и в се го набо ра ко м анд , в то м ч и сл е и сам ы х про сты х . Во зрастающ ая сл о жно сть про це д ур о брабо тки ко м анд застав л яе т при бе гать к

56 м и кро про грам м но й ре ал и заци и управ л яющ е го устро йств а про це ссо ра в м е сто бо л е е бы стро д е йств ующ и х устро йств управ л е ни я с «же стко й» («схе м но й») л о ги ко й. Усл о жне ни е про це ссо ра при в о д и т к ув е л и ч е ни ю д л и н м е жсо е д и не ни й на кри стал л е про це ссо ра, ч то яв л яе тсяф акто ро м, затруд няю щ и м по в ы ш е ни е такто в о й ч асто ты про це ссо ра. С д руго й сто ро ны , анал и з стати сти ки практи ч е ско го и спо л ьзо в ани я в про грам м ах ко нкре тны х ко м анд по казал , ч то на сам о м д е л е наи бо л е е ч асто по д ав л яющ е е бо л ьш и нств о со став л яющ и х про грам м у ко м анд со став л яе т срав ни те л ьно не бо л ьш о й набо рд о стато ч но про сты х ко м анд , а ко м анд ы , в ы по л няющ и е сл о жны е о пе раци и и спо л ьзуются в про грам м ах сущ е ств е нно ре же . Т аки м о бразо м , в о ч е нь бо л ьш о й сте пе ни о бщ е е в ре м я в ы по л не ни я про грам м ы о пре д е л яе тся э ф ф е кти в но стью ре ал и заци и ко м анд ре ал и зующ и х д о стато ч но про сты е , но ч асто и спо л ьзуе м ы е о пе раци и , а не сл о жны е , но и спо л ьзуе м ы е го разд о ре же . Э то при в е л о к по яв л е ни ю в в о сьм и д е сяты е го д ы а л ьте рнати в но го по д хо д а к разв и ти ю си сте м ы ко м а нд про це ссо ро в . А и м е нно к по яв л е ни ю про це ссо ро в с так назы в ае м о й RISC-архи те ктуро й. Со кращ е ни е RISC (по англ и йски э то – Reduced Instruction Set Computers) о знач ае т – Э ВМ с сокращ енны м на бором к ом а нд . RISC-а рхит ек т ура пре д по л агае т ре ал и заци ю в Э ВМ сок ра щенного набо ра про сте йш и х, но ч асто упо тре бл яе м ы х ко м анд . Э то по зв о л яе т сущ е ств е нно упро сти ть аппаратны е сре д ств а про це ссо ра и бл аго д аря э то м у по л уч и ть в о зм о жно сть сущ е ств е нно по в ы си ть э ф ф е кти в но сть в ы по л не ни я э ти х ко ма нд . При и спо л ьзо в ани и в ы бо рнабо ра ко м анд и структуры про це ссо ра направ л е ны на то , ч то бы ко м анд ы набо ра в ы по л нял и сь за о д и н м аш и нны й ци кл про це ссо ра. Вы по л не ни е бо л е е сл о жны х , но ре д ко в стре ч ающ и хся о пе раци й о бе спе ч и в ают по д про грамм ы . В Э ВМ с RISC-архи те ктуро й ма ш и нны м ци кл о м назы в а ют в ре м я, в те ч е ни е ко то ро го про и зв о д и тся в ы бо рка д в ух о пе ранд о в и з ре ги стро в , в ы по л не ни е о пе раци и в АЛ У и запо м и нани е ре зул ьтата в ре ги стре . Бо л ьш и нств о ко м анд в RISC-про це ссо ре яв л яются бы стры м и ко м анд ам и ти па «ре ги стр-ре ги стр» и в ы по л няются бе з о бращ е ни я к о пе рати в но й пам яти . К о пе рати в но й пам яти о бращ ае тся л и ш ь в ко м анд ах за гру зк и р егист ров и за пом ина ние в опера т ивной па м ят и. Ч то бы э то стал о в о зм о жны м , RISC-про це ссо р о бы ч но со д е ржи т д о стато ч но бо л ьш о е ч и сл о ре ги стро в о бщ е го назнач е ни я.

57 Бл аго д аря х аракте рны м д л я RISC-архи те ктуры о со бе нно стям – со кращ е нно му набо ру ко м анд (о бы ч но не бо л е е 50–100), не бо л ьш о м у ч и сл у (о бы ч но 2-3) про сты х спо со бо в ад ре саци и (в о сно в но м ре ги стро в о й), не бо л ьш о м у ч и сл у про сты х ф о рм ато в ко м анд с ф и кси ро в анны м и разм е рам и и ф ункци о нал ьны м назнач е ни е м и х по л е й – упро щ ае тся управ л яющ е е устро йств о про це ссо ра. При е го ре ал и заци и о бы ч но о бхо д ятсябе з м и кро про грам м но го уро в ня управ л е ни я и управ л яю щ е й пам яти , и спо л ьзуя бо л е е бы стро д е йств ующ ую «сх е м ную л о ги ку». Упро щ е ни е структуры про це ссо ра сущ е ств е нно ум е ньш ае т разм е ры про це ссо ра, о бл е гч ая е го ре ал и заци ю на о д но м кри стал л е д аже с уч е то м ув е л и ч е ни я д о не ско л ьки х д е сятко в ч и сл а ре ги стро в о бщ е го назнач е ни я. Бо л ьш о е ч и сл о ре ги стро в , о со бе нно при нал и ч и и о бе спе ч и в ающ е го и х э ф ф е кти в но е и спо л ьзо в ани е «о пти м и зи рую щ е го ко м пи л ято ра», по зв о л яе т д о пре д е л а со крати ть о бращ е ни е к о пе рати в но й пам яти , путе м со хране ни яв ре ги страх про ме жуто ч ны х ре зул ьтато в , пе ре д ач и ч е ре з ре ги стры о пе ранд о в и з о д ни х про грам м в д руги е про грам м ы и л и по д про грам м ы , о тказа д л япе ре д ач на со х ране ни е в о пе рати в ную пам ять со д е ржи м о го ре ги стро в при пре ры в ани ях . В насто ящ е е в ре м я, не см о тря на про д о л жающ и е ся д и скусси и по по в о д у пре и м ущ е ств и не д о статко в про це ссо ро в с расш и ре нны м и со кращ е нны м набо рам и ко м анд , на ры нке ко м пьюте ро в пре д став л е ны о ба э ти х направ л е ни я. М о жно сказать, ч то по сте пе нно кажд о е и з ни х нах о д и т св о ю «ни ш у». В ч астно сти бо л ьш о е ч и сл о ко м пьюте ро в , пре д назнач е нны х д л яи спо л ьзо в ани я в кач е ств е се рв е ро в , и спо л ьзуют про це ссо ры с со кращ е нны м набо ро м ко м анд , т. е . RISC-арх и те ктуру. 10.2. Контрольны е в оп рос ы 1. В ч е м разни ца м е жд у про це ссо рам и с расш и ре нны м и со кращ е нны м набо ро м ко манд ? 2. Каки е про бл е м ы с то ч ки зре ни я в ре м е ни в ы по л не ни я ко м анд в о зни кают при расш и ре ни и набо ра ко м анд про це ссо ра путе м д о бав л е ни я ко манд , в ы по л няющ и х сл о жны е о пе раци и ? 3. За сч е т ч е го в о зни кае т в ы и гры ш в про и зв о д и те л ьно сти про це ссо ра с со кращ е нны м набо ро м ко м анд ?

58 11. О рганизация в в од а-в ы в од а. О бм енинф ормацией Э В М с в неш ними ус тройс тв ам и 11.1. В не ш ние ус тройс тв а Н и о д и н ко м пьюте рне м о же т бы ть пре д став л е н бе з о пре д е л е нно го набо ра по д кл юч е нны х к не м у в не ш ни х и л и пе ри ф е ри йны х устро йств . Н азнач е ни е э ти х устро йств – о бе спе ч и ть ввод в Э ВМ и вывод и з не е и нф о рм аци и в в и д е наи бо л е е по д хо д ящ е м д л я и спо л ьзую щ е го ко м пьюте рч е л о в е ка. Вне ш ни е и л и пе ри ф е ри йны е устро йств а в ы по л няют о пре д е л е нны е ф ункци и по при е м у и о брабо тке и нф о рм аци и , пе ре д ав ае м о й в ни х и з ЭВМ , и по ф о рм и ро в ани ю и нф о рмаци и , пе ре д ав ае м о й и з ни х в Э ВМ . Сущ е ств уе т м но же ств о в не ш ни х устро йств ЭВМ разл и ч но го назнач е ни я, сре д и ко то ры х о тм е ти м сл е д ующ и е . К ла виа т у ра Э ВМ – э то устро йств о , пре д назнач е нно е д л я ф о рм и ро в ани я и в в о д а в Э ВМ д в о и ч ны х ко д о в в со о тв е тств и и с нажато й кл ав и ш е й и л и ко м би наци е й кл ав и ш . М онит ор – э то устро йств о , пре д назнач е нно е д л я о то браже ни я на э кране в ы в о д и м о й и з Э ВМ и нф о рм аци и в в и д е си м в о л ьно го те кста и л и граф и ч е ско го и зо браже ни я. П еча т а ющие у ст ройст ва и гра ф опост роит ели пре д назнач е ны д л я в ы в о д а те ксто в о й и граф и ч е ско й и нф о рм аци и на бумагу. Ск а нер ы – устро йств а д л я в в о д а в Э ВМ и зо браже ни й и те ксто в в граф и ч е ско м в и д е , а также м ани пул ято ры ти па м ышь или д ж ойст ик , м од ем ы, сет евые а д а пт еры, циф ро-а на логовые и а на лого-циф ровые у ст ройст ва ввод а /вывод а инф орм а циии м но ги е д руги е . О собу ю р оль сред и внешних у ст ройст в Э В М за ним а ют внешни е зап ом и наю щ и е уст рой ст ва (В ЗУ). Э то устро йств а, пре д назнач е нны е д л яд олговрем енного х ране ни ябольших о бъе м о в и нф о рм аци и . Бо л ьш аяч асть в не ш ни х запо м и наю щ и х устро йств и спо л ьзуе т м агни тны й спо со б запи си и нф о рм аци и . Это так назы в ае м ы е на к опит ели на м а гнит ных д иск а х (Н М Д ) и м а гнит ных лент а х (Н М Л ). Отм е ти м сразу сущ е ств е нны е о со бе нно сти э ти х д в ух ти по в устро йств , св язанны е с д о ступо м к запи санно й на ни х и нф о рм аци и .

59 Н а к опит ели на лент а х о тно сятся к устро йств ам с послед ова т ельным д ост у пом , так как запи сь и нф о рм аци и на л е нту и сч и ты в ани е е е м о же т о сущ е ств л яться то л ько по сл е д о в ате л ьно путе м пе ре м о тки л е нты м и м о го л о в ки запи си /ч те ни язапо м и нающ е го устро йств а. Н а к опит ели на м а гнит ных д иск а х о тно сятся к в не ш ни м запо м и нающ и м устро йств ам с произвольным и л и прям ым д ост у пом . Д о ступ м агни тны х го л о в о к к ко нце нтри ч е ски м м агни тны м д о ро жкам в ращ ающ и хся д и ско в устро йств а о сущ е ств л яе тся бы стры м рад и ал ьны м пе ре м е щ е ни е м е го бл о ка го л о в о к. Э то о бе спе ч и в ае т практи ч е ски о д и нако в о м ал о е в ре мя д о ступа, ка к к наружны м , так и к в нутре нни м д о ро жкам д и ско в . 11.2. О бщ ие п ринцип ы организации в в од а-в ы в од а Про и зв о д и те л ьно сть и э ф ф е кти в но сть и спо л ьзо в ани я ЭВМ в бо л ьш о й сте пе ни о пре д е л яе тся те м , как о сущ е ств л яются в не й о пе раци и в в о д а и в ы в о д а и нф о рм аци и . При ре ал и заци и в Э ВМ си сте м ы в в о д а-в ы в о д а и нф о рм аци и при хо д и тся ре ш ать сл о жны е те х ни ч е ски е про бл е м ы . Э ти про бл е м ы в о сно в но м о бусл о в л е ны сл е д ующ и м и ф акто рам и . Н е о бхо д и м о о бе спе ч е ни е в о зм о жно сти со в м е стно го и спо л ьзо в ани я разл и ч ны х Э ВМ с пе ре ме нны м со став о м разл и ч но го в не ш не го о бо руд о в ани я, о тв е ч ающ е го ре ш е ни ям ко нкре тны х зад ач по л ьзо в ате л я. При э то м назнач е ни е , ти пы , ф о рм ы и спо л не ни я, про и зв о д и те л и и те хни ч е ски е характе ри сти ки , как Э ВМ , так и в не ш ни х устро йств ч ре зв ы ч айно разно о бразны . При э то м ко нструкци я в не ш ни х устро йств , как прав и л о , в бо л ьш о й сте пе ни не зав и си м а о т ко нструкци и ко нкре тны х Э ВМ , с ко то ры м и о ни м о гут бы ть и спо л ьзо в аны . Д о л жна бы ть о бе спе ч е на уни ф и каци я про грам м и ро в а ни я о пе раци й в в о д а-в ы в о д а д л я м акси м ал ьно й не зав и си м о сти разрабаты в ае м о го про грам м но го о бе спе ч е ни я о т ко нкре тно й аппаратуры , на ко то ро й о но м о же т бы ть и спо л ьзо в ано . Вы по л не ни е э ти х тре бо в ани й усл о жняе тся е щ е сл е д ую щ и ми ф акто рам и . Ско ро сть, с ко то ро й разл и ч ны е в не ш ни е устро йств а м о гут в ы д ав ать и л и при ни м ать и нф о рм аци ю, м о же т л е жать в о ч е нь ш и ро ки х пре д е л ах и в о м но -

60 ги х сл уч аях о казы в ае тсяго разд о ни же ско ро сти рабо ты про це ссо ра и пам яти Э ВМ . Кро м е то го , сам м о м е нт в ре м е ни , в ко то ры й д о л же н о сущ е ств и ться акт пе ре д ач и и нф о рм аци и , в о м но ги х сл уч аях о пре д е л яе тся не Э ВМ , не в ы по л няе м о й про це ссо ро м про грам м о й, а в не ш ни м устро йств о м , т.е . при в ы по л не ни и про грам м ы заране е не м ож ет быт ь извест ен. Оч е в и д ны й при м е р– в в о д и нф о рм аци и по л ьзо в ате л е м путе м нажати якл ав и ш кл ав и атуры . Д ля реа лиза ции обм ена инф орм а цией м еж д у Э В М и внешним и (периф ер ийным и) у ст ройст ва м ипред на зна чена п одси ст ем а ввода-вы вода ЭВМ . Н а ри с.10.1 по казано по д кл юч е ни е в не ш ни х устро йств к в нутре нни м и нф о рм аци о нны м ш и нам Э ВМ , е го це нтрал ьно м у про це ссо ру и пам яти . Л и ни и управ л е ни я Л и ни и д анны х П ро це ссо р Ад ре с

Ш и на в в о д ав ы в од а

Ш и на пам яти Пам ять

И нте рф е йс в в о д ав ы в од а 1

И нте рф е йс в в о д ав ы в од а 2

И нте рф е йс в в о д ав ы в од а 3

. . . Устро йств о в в о д ав ы в од а 1

. . . Устро йств о в в о д ав ы в од а 2

. . . Устро йств о в в о д ав ы в од а 3

Ри с.10.1 Ш ина ввод а -вывод а , ч е ре з ко то рую в не ш ни е устро йств а по д кл юч аютсяк про це ссо ру, в кл юч ае т в се бя а д ресные линии, линии ввод а -вывод а д а нных и линии упра вления. Обы ч но ш и на в в о д а-в ы в о д а и ш и на пам яти л о ги ч е ски не зав и си мы , х о тяв не ко то ры х Э ВМ ад ре сны е л и ни и и л и ни и д анны х э ти х ш и н м о гут бы ть со в м е щ е ны . К Э ВМ внешние у ст р ойст ва по д кл юч аютсяч е ре з так назы в ае м ы е порт ы ввод а -вывод а . Д л я со пряже ни я ко нкре тно го в не ш не го устро йств а с ко нкре тно й Э ВМ сл ужат так назы в ае м ы е инт ер ф ейсные у ст ройст ва (и л и про сто и нте рф е йсы ). И нт ерф ейс пре д став л яе т со бо й со в о купно сть л и ни й и ш и н,

61 си гнал о в , э л е ктро нны х схе м и ал го ри тм о в (про то ко л о в пе ре д ач и и о брабо тки д анны х), о бе спе ч и в ающ и х уни ф и каци ю и станд арти заци ю пе ре д ач и д анны х м е жд у Э ВМ и в не ш ни м и устро йств а м и . И нте рф е йс в в о д а-в ы в о д а управ л яе т д е йств и ям и о пре д е л е нно го в и д а в не ш не го устро йств а в со о тв е тств и и с ко м анд а ми про це ссо ра Э ВМ : пре о бразуе т д анны е и з в нутре нне го пре д став л е ни я Э ВМ в ф о рм аты , и спо л ьзуе м ы е ко нкре тны м в не ш ни м устро йств о м , и в ы по л няе т о братно е пре о бразо в ани е в ф о рм ат, и спо л ьзуе мы й про це ссо ро м ко нкре тно й Э ВМ . Ко нструкти в но в не ш ни е устро йств а о бы ч но в ы по л няются как са мо сто яте л ьны е устро йств а, разм е щ ае м ы е о тд е л ьно о т Э ВМ , и нте рф е йсы же с по ртам и в в о д а-в ы в о д а по ч ти в се гд а яв л яютсяч астью Э ВМ . Д л я в ы по л няе м о й про це ссо ро м про грам м ы , то ч не е д л я про грам м и ста, про грам м и рующ е го о пе раци ю в в о д а-в ы в о д а, порт ввод а -вывод а пре д став л яе т со бо й ре ги стр и л и набо р ре ги стро в , со д е ржи м о е ко то ры х про грам м но д о ступно д л яч те ни яи /и л и запи си в о в ре м яо пе раци й в в о д а-в ы в о д а. П еред а ча (вывод ) числа или к од а из Э В М во внешнее у ст ройст во ф а к т ическ и реа лизу ет ся их перед а чей из регист ра процессор а или ячейк и па м ят и Э В М в р егист р д а нных инт ерф ейса внешнего у ст ройст ва . Анал о ги ч но , прием (ввод ) инф ор м а ции из внешнего у ст ройст ва за к люча ет ся в чт ении процессором сод ерж им ого (числа илик од а ) регист ра д а нных инт ерф ейса . Пе ре д ач а и л и при е м и нф о рм аци и ч е ре з по рты в в о д а-в ы в о д а в о м но ги х Э ВМ о сущ е ств л яе тся по пре д назнач е нны м д л я э то го и нф о рмаци о нны м ш и нам с по м о щ ью спе ци ал ьны х ко м анд в в о д а-в ы в о д а. В не ко то ры х Э ВМ , в ко то ры х д л яад ре саци и по рто в и спо л ьзуе тсято же ад ре сно е про странств о , ч то и д л яад ре саци и пам яти , рабо та с яч е йкам и пам яти и ре ги страм и в не ш ни х устро йств о сущ е ств л яе тсяо д ни м и те м же набо ро м ко м анд . Обы ч но в Э ВМ и спо л ьзуе тсятри о сно в ны х ре жи м а о бм е на и нф о рм аци е й с в не ш ни м и устро йств ам и . 1. П рогра м м ный обм ен д а нным и по ф ла гу гот овност и у ст ройст ва – э то пе ре д ач а и л и при е м д анны х по и ни ци ати в е и по д упра в л е ни е м про грамм ы , в ы по л няе м о й це нтрал ьны м про це ссо ро м Э ВМ . 2. П рогра м м ный обм ен д а нным и в реж им е прерыва ния програ м м ы. И ни ци ати в а о бм е на и нф о рм аци е й в э то м сл уч ае при над л е жи т в не ш не м у устро йств у, д л я э то го и м о сущ е ств л яе тся пре ры в ани е в ы по л няе м о й

62 про це ссо ро м про грам м ы и при нуд и те л ьны й пе ре в о д про це ссо ра на в ы по л не ни е про грам м ы о бсл ужи в ани я в не ш не го устро йств а, затре бо в ав ш е го пре ры в ани е , по о ко нч ани и ко то ро й про це ссо рв о зв ращ ае тся к в ы по л не ни ю пре рв анно й про грам мы . 3. Обм е н д анны м и в реж им е прям ого д ост у па к па м ят и (ПД П). В э то м ре жи м е управ л е ни е о бме но м бе ре т на се бя в не ш не е устро йств о . Э то по зв о л яе т о сущ е ств л ять бы стры й о бм е н д анны м и не по сре д ств е нно м е жд у о сно в но й пам ятью Э ВМ и и нте рф е йсо м в в о д а-в ы в о д а в не ш не го устро йств а бе з уч асти япро це ссо ра. Рассм о три м о со бе нно сти э ти х ре жи м о в о бм е на и нф о рмаци е й бо л е е по д ро бно . 11.3. П рограм м ны й режим в в од а-в ы в од а п о оп рос у готов нос ти в не ш не го ус тройс тв а. В э то м ре жи м е о бм е н и нф о рм аци е й м е жд у Э ВМ и в не ш ни м и устро йств ам и о сущ е ств л яе тся по инициа т иве и под у пра влением выполняем ой програ м м ы по л ьзо в ате л я. Осно в ная про бл е м а, ко то рую при э то м тре буе тся ре ш ать, св язана с те м , ч то ско ро сть о брабо тки и нф о рм аци и в не ш ни м устро йств о м , как прав и л о , сущ е ств е нно ни же бы стро д е йств и я про це ссо ра и по э то м у в не ш не е устро йств о о казы в ае тся го то в ы м к при е м у и л и пе ре д ач е и нф о рм аци и д ал е ко не в о в се м о м е нты в ре м е ни . Всл е д ств и е э то го д л яо бе спе ч е ни я ко рре ктно й пе ре д ач и и нф о рм аци и не о бхо д и м м е хани зм , по зв о л яющ и й про грам м ны м путе м о пре д е л ять со сто яни е го то в но сти и л и не го то в но сти в не ш не го устро йств а к при е м у и л и пе ре д ач е д анны х . Э то не о бхо д и м о , д л я то го , ч то бы со бств е нно пе ре д ач а д анны х в ре ги стри л и ч те ни е и х и з ре ги стра д анны х в не ш не го устро йств а о сущ е ств л ял и сь в те в м о м е нты в ре м е ни , ко гд а в не ш не е устро йств о зако нч и л о о брабо тку и л и ф о рм и ро в ани е о ч е ре д но го сл о в а и л и байта д анны х и гот ово к при е м у и л и пе ре д ач е сл е д ую щ е го . Д л я о бе спе ч е ни я в о зм о жно сти о пре д е л е ни ясо сто яни яго то в но сти и л и не го то в но сти в не ш не го устро йств а в и нте рф е йс в не ш не го устро йств а в в о д и тся так назы в ае м ы й регист р сост ояния внешнего у ст р ойст ва (РС ВУ). Од и н и з разряд о в ре ги стра со сто яни я устро йств а устанав л и в ае тся са м им внешним у ст ройст вом в е д и ни цу и л и сбрасы в ае тся в но л ь в зав и си м о сти о т е го со -

63 сто яни я го то в но сти и л и не го то в но сти . Э то т разряд ч асто назы в ают ф ла гом гот овност и у ст ройст ва . Про це ссо р, о бращ аясь с по м о щ ью со о тв е тств ующ и х ко м анд к ре ги стру со сто яни я в не ш не го устро йств а и анал и зи руя со сто яни е е го разряд о в , м о же т о пре д е л и ть, таки м о бразо м , го то в о в не ш не е устро йств о к при е м у/пе ре д ач е д анны х и л и не т, и в зав и си м о сти о т э то го о сущ е ств л ять пе ре сы л ку д анны х и л и о жи д ать, м о м е нта го то в но сти устро йств а. Н а ри с.11.1 пре д став л е н ал го ри тм (бл о к-схе м а) про грам м ы ре ал и зующ е й такую про це д уру. Т ако й спо со б о ргани заци и в в о д а-в ы в о д а по л уч и л назв ани е програ м м ного ввод а -вывод а д а нных по опросу ф ла га гот овност и внешнего у ст ройст ва .

П ро в е рка разряд а (ф л ага) го то в но сти ре ги стра со сто яни яустро йств а

Го то в ?

нет

да П е ре д ач а/ч те ни е байта и л и сл о в а в /и з ре ги стра д анны х устро йств а

Ри с.11.1 Как, и сх о д я и з тако го ал го ри тм а, буд е т в ы гл яд е ть, напри м е р, про це д ура вывод а на при нте р те ксто в о го со о бщ е ни я, со сто ящ е го и з не ко то ро го ч и сл а си м в о л о в , хранящ и хся в па м яти Э ВМ в в и д е масси в а ко д о в э ти х си м в о л о в ? Вы по л няющ ая такую о пе раци ю про грам м а д о л жна осу щест влят ь послед ова т ельну ю перед а чу эт их к од овиз ячеек па м ят и в реги ст р данны х п ри нт ера с пред ва рит ельной цик лическ ой проверк ой флага гот овност и п ри нт ера в его реги ст ре сост ояни я перед вывод ом каж дого сим вола , как э то по казано на ри с.11.1.

64 Д л я в в о д а в Э ВМ си м в о л о в те кста с кл ав и атуры анал о ги ч ны м о бразо м д о л же н про в е ряться разряд го то в но сти в ре ги стре со сто яни я кл ав и атуры , ко то ры й устана в л и в ае тся в е д и ни цу и нте рф е йсо м кл ав и атуры при нажати и на о д ну и з е е кл ав и ш и по м е щ е ни и со о тв е тств ующ е го э то й кл ав и ш е ко д а в ре ги стр д анны х кл ав и атуры . И з ре ги стра д анны х кл ав и атуры ко д нажато й кл ав и ш и м о же т бы ть про ч и тан в ы по л няе м о й про це ссо ро м про грам м о й, по сл е ч е го про и схо д и т ав то м ати ч е ски й сбро с ф л ага го то в но сти кл а в и атуры (устано в ка е го в со сто яни е «не гот ов»). Т аки м о бразо м , ко д нажато й кл а в и ш и не л ьзяпро ч и тать бо л ьш е о д но го раза. Как в и д но и з в ы ш е и зл о же нно го , в ре м я, затрач и в ае м о е на ре ал и заци ю про це д уры в в о д а-в ы в о д а масси в а д анны х при и спо л ьзо в а ни и про грам м но управ л яе м о го ре жи м а с о про со м ф л ага го то в но сти устро йств а, о пре д е л яе тся бы стро д е йств и е м в не ш не го устро йств а. Все э то в ре м я про це ссо р Э ВМ д о л же н бы ть занят в ы по л не ни е м про це д уры в в о д а-в ы в о д а, при ч е м , как в и д но , ф акти ч е ски бо л ьш ую ч асть э то го в ре м е ни со став л яе т в ы по л не ни е ци кл и ч е ско й про в е рки ф л ага го то в но сти устро йств а. Е сл и таки м о бразо м не о бх о д и м о о ргани зо в ать о бм е н и нф о рм аци е й с не ско л ьки м и в не ш ни м и устро йств ам и , то не о бхо д и м о о бе спе ч и в ать по о ч е ре д ную про в е рку го то в но сти кажд о го устро йств а. Т аки м о бразо м, о со бе нно стью ре жи м а про грам м но управ л яе м о го в в о д ав ы в о д а с о про со м го то в но сти в не ш не го устро йств а яв л яе тсяне раци о нал ьно е и спо л ьзо в ани е в ре м е ни рабо ты це нтрал ьно го про це ссо ра. 11.4. П рограм м но уп рав ля ем ы й обм енинф орм ацией в режим е п реры в ания п рограм м ы К онцепция пр ерыва ния – о д но и з в ажне йш и х и зо бре те ни й в о бл асти арх и те ктуры Э ВМ , о тно сящ и хся к по в ы ш е ни ю э ф ф е кти в но сти о пе раци й в в о д а-в ы в о д а. Д о при знани я э то й ко нце пци и в в ы ч и сл и те л ьны х си сте м ах о бы ч но и спо л ьзо в ал ся ме то д про грам м но го о про са, рассм о тре нны й в ы ш е , ко гд а про це ссо р «по кругу» про в е рял кажд ы й по рт в в о д а-в ы в о д а (ре ги стры со сто яни я), ч то бы о пре д е л и ть, не нужд ае тся л и в о бсл ужи в ани и како е -л и бо и з по д кл юч е нны х к не му в не ш ни х устро йств . При о бнаруже ни и тако го запро са (по ф л агу го то в но сти устро йств а) про це ссо р пе ре х о д и л на про грамм у о бсл ужи в ани яд анно го устро йств а.

65 Сущ е ств е нны м не д о статко м тако го ме то д а яв л яе тся яв но не э ф ф е кти в но е и спо л ьзо в ани е сам о го д о ро го го ре сурса Э ВМ – про це ссо рно го в ре м е ни , по ско л ьку в ре м я, затрач и в ае м о е на в ы по л не ни е о про са го то в но сти в не ш ни х устро йств , не м о же т бы ть и спо л ьзо в ано д л яре ш е ни яд руги х зад ач . Ко нце пци я пре ры в ани я про грам м ы по зв о л яе т устрани ть э то т не д о стато к. О на пре д усм атри в ае т о брабо тку про це ссо ро м со бы ти й, мо м е нт в о зни кно в е ни я ко то ры х о бусл о в л е н про це ссам и , про те кающ и м и в о в не ш ни х устро йств ах , то е сть в не Э ВМ , бе з в ы по л не ни я рути нны х о пе раци й ци кл и ч е ско го о про са в не ш ни х устро йств . М е хани зм , ре ал и зующ и й пре ры в ани я, в кл юч ае т в се бя как а ппаратны е сре д ств а (о со бе нно сти арх и те ктуры Э ВМ ), так и про грам м ны е . В сам ы х о бщ и х ч е ртах ко нце пци я рабо ты Э ВМ с в не ш ни м и устро йств ам и вреж им е пр ерыва ния програ м м ы со сто и т в сл е д ующ е м . • Пу ст ьпр оцессор выполняет нек от ору ю програ м м у (на зовем ее основной). • В нек от орый м ом ент врем енив к а к ом -либо внешнем у ст ройст ве происход ит событ ие, связа нное с необход им ост ью выполнения Э В М опред еленных д ейст вий, на прим ер , по ввод у -вывод у инф орм а ции. • Э т о внешнее у ст ройст во посыла ет процессору сигна л за пр оса (т ребова ния) прерыва ния выполняем ой им програ м м ы. • Полу чив эт от сигна л, процессор приост а на влива ет (пр ерыва ет ) выполнение основной програ м м ы и переход ит на выполнение прогр а м м ы обслу ж ива ниявнешнего у ст ройст ва , за т ребова вшего прерыва ние. • По ок онча нии програ м м ы обслу ж ива ния внешнего у ст ройст ва (обслу ж ива ния прерыва ния) процессор возвра ща ет ся к выполнению прерва нной основной програ м м ы. Т аки м о бразо м , про це ссо рв д анно м ре жи м е уже не трати т в ре м я на о про с го то в но сти в не ш ни х устро йств к о бм е ну и нф о рм аци е й, ре ал и зуя се ансы о бм е на то л ько по запро сам сам и х в не ш ни х устро йств . Каки е про бл е м ы д о л жны бы ть ре ш е ны д л я ре ал и заци и ре жи м а пре ры в ани я?

66 1. Как в и д но и з в ы ш е и зл о же нно го , рабо та о сно в но й (пре ры в ае м о й) про грам м ы д о л жна при о станав л и в аться без к а к ого-либо у щерба д ля о бе спе ч е ни я в о зм о жно сти про д о л же ни я ее послед у ющего выполнения с то ч ки пре ры в ани я. 2. Уч и ты в ая, ч то к Э ВМ м о же т бы ть по д кл юч е но бо л ьш о е ч и сл о разно о бразны х в не ш ни х устро йств , д о л же н бы ть ре ал и зо в ан м е хани зм , о бе спе ч и в ающ и й пе ре хо д про це ссо ра на выполнение програ м м ы обслу ж ива ния им енно т ого у ст ройст ва , к от орое за т ребова ло прерыва ние. При э то м не же л ате л ьна же сткая, раз и нав се гд а зад анная при в язка про грам м ы о бсл ужи в ани я к о пре д е л е нно м у м е сту в пам яти Э ВМ , так как д аже д л я о д но го и то го же в не ш не го устро йств а ал го ри тм ы о бсл ужи в ани я, и спо л ьзуе м ы е про грам м ам и разл и ч ны х по л ьзо в ате л е й, мо гут сущ е ств е нно о тл и ч аться. 3. Н е о бх о д и м м е ха ни зм , о бе спе ч и в а ющ и й ра зрешение к онф лик т ных сит у а ций, в о зни каю щ и х, ко гд а запро сы на пре ры в ани е по ступают о д но в ре м е нно о т не ско л ьки х в не ш ни х устро йств , а также м е х ани зм , по зв о л яющ и й про грам м ны м путе м за преща т ь или ра зреша т ь пр ерыва ния в се м и л и не ко то ры м в не ш ни м устро йств ам , ко гд а э то не о бхо д и м о . Сущ е ств уют разл и ч ны е спо со бы о ргани заци и рабо ты Э ВМ в ре жи м е пре ры в ани я про грам м ы , в то й и л и и но й сте пе ни уд о в л е тв о ряющ и е пе ре ч и сл е нны м тре бо в ани ям . Н аи бо л е е по л но о ни уд о в л е тв о ряются в ш и ро ко и спо л ьзуе м о й со в ре м е нны м и Э ВМ так назы в ае м о й си сте м е с прерыва нием по век т ору . При век т орной орга низа циисист ем ы прерыва ний в пам яти ЭВМ по м и м о о сно в но й про грам мы (про грам м ), разм е щ аются програ м м ы обра бот к и прер ыва ний, т.е . про грам м ы о бсл ужи в ани я в не ш ни х устро йств , в ы зы в ающ и х пре ры в ани я. Кро м е то го , ч асть пам яти о тв о д и тся по д так назы в ае м ы е век т ор ы прер ыва ния. Обы ч но в е кто рпре ры в ани я– э то д в е яч е йки пам яти , ад ре са ко то ры х же стко закре пл е ны за ко нкре тны м и в не ш ни м и устро йств ам и . В пе рв о й яч е йке в е кто ра д о л же н бы ть по м е щ е н ад ре с про грамм ы о бсл ужи в а ни я пре ры в ани я о т со о тв е тств ую щ е го в не ш не го устро йств а, а в о в то ро й яч е йке в е кто ра раз-

67 м е щ ае тся со д е ржи м о е сл о в а со сто яни я про це ссо ра, ко то ро е д о л жно бы ть устано в л е но в ре ги стре со сто яни я про це ссо ра в о в ре м я в ы по л не ни я про грам м ы о бсл ужи в ани япре ры в ани яо т э то го устро йств а. Ве кто ры пре ры в ани я в не ш ни х устро йств о бы ч но распо л агаются в нач ал ьно й о бл асти пам яти , зани м аяне ско л ько со т яч е е к памяти . Оч е в и д но , ч то в э то й о бл асти не сл е д уе т разм е щ ать каки е -л и бо про грамм ы . Алгорит м обра бот к и прерыва ния в ы гл яд и т при э то м сл е д ующ и м о бразо м . 1. П усть в не ко то ры й м о м е нт в ре м е ни како е -л и бо в не ш не е устро йств о , ко то ро м у не о бхо д и м о бм е н и нф о рмаци е й с Э ВМ , по сы л ае т про це ссо ру по спе ци ал ьно й л и ни и (о бщ е й д л я в се х в не ш ни х устро йств ) си гнал запро са (тре бо в ани я) пре ры в ани я. Про це ссо рв э то т м о м е нт м о же т бы ть занят в ы по л не ни е м како й-л и бо ко м анд ы о сно в но й про грам м ы . 2. По л уч и в о т в не ш не го устро йств а си гнал запро са пре ры в ани я, про це ссо р в ы по л няе т ко м пл е кс д е йств и й, о бе спе ч и в аю щ и х в о зм о жно сть в о зо бно в л е ни я в ы по л не ни я пре ры в ае м о й про грам м ы по сл е о бсл ужи в ани я в не ш не го устро йств а бе з наруш е ни я л о ги ки про грам м ы . Э ти д е йств и я закл юч аютсяв сл е д ующ е м : • про це ссо р за верша ет выполнение к ом а нд ы основной прогр а м м ы, в о в ре мяко то ро й е го застал запро с на пре ры в ани е ; • за пом ина ет вст ек е сод ерж им ое регист ра сост ояния процессора ; • в сл е д за э ти м за пом ина ет в ст ек е сод ерж им ое регист ра -счет чик а к ом а нд , в ко то ро м в э то т м о м е нт нахо д и тся ад ре с ко м анд ы , сл е д ующ е й за то л ько ч то в ы по л не нно й ко м анд о й о сно в но й про грам м ы , т.е . а д рес, на к от ор ый процессор д олж ен верну т ься по ок онча нии обслу ж ива нияпрерыва ния. 3. Обе спе ч и в со хране ни е те кущ е го со сто яни я в ы по л няе м о й про грам м ы , про це ссо р по сы л ае т в не ш не м у устро йств у (о пять же по о бщ е й д л я в се х в не ш ни х устро йств л и ни и ) си гнал пре д о став л е ни я пре ры в ани я, со о бщ ая в не ш не м у устро йств у о св о е й го то в но сти к о бсл ужи в ани ю пре ры в ани я.

68 По сл е э то го в ы по л няе тся э тап и д е нти ф и каци и в не ш не го устро йств а, затре бо в ав ш е го пре ры в а ни е , и о пре д е л е ни е м е ста распо л о же ни я в пам яти Э ВМ про грам м ы е го о бсл ужи в ани я. 4. По сл е по л уч е ни я о т про це ссо ра си гнал а пре д о став л е ни я пре ры в ани я, в не ш не е устро йств о пе ре д ае т про це ссо ру ад ре с св о е го в е кто ра пре ры в ани я. Как уже го в о ри л о сь, ад ре са в е кто ро в пре ры в ани я, ко то ры е уни кал ьны д л я кажд о го в не ш не го устро йств а, яв л яются, по сути , и х и д е нти ф и като рам и . 5. Про це ссо р, по л уч и в о т в не ш не го устро йств а ад ре с е го в е кто ра преры в ани я, пе ре сы л ае т в св о й ре ги стр-сч е тч и к ко м анд со д е ржи м о е пе рв о й яч е йки в е кто ра, т.е . ад ре с про грам м ы о бсл ужи в а ни я д анно го в не ш не го устро йств а. По сл е э то го о н пе ре сы л ае т в св о й ре ги стрсо сто яни ясо д е ржи м о е в то ро й яч е йки в е кто ра, т.е . при в о д и т сл о в о со сто яни я про це ссо ра в со о тв е тств и е с те м , ко то ро е тре буе тся в о в ре м я о бсл ужи в ани я устро йств а (по д ро бне е о то м , зач е м э то м о же т и спо л ьзо в аться, буд е т сказано ни же ). Пе ре ч и сл е нны е о пе раци и зав е рш ают про це сс пе ре х о д а про це ссо ра к в ы по л не ни ю про грам м ы о бсл ужи в ани я в не ш не го устро йств а, затре бо в ав ш е го пре ры в ани е . Вы би рая и з пам яти и в ы по л няя ко ма нд у, ад ре с ко то ро й на хо д и тся в е го ре ги стре -сч е тч и ке ко м анд , т.е . пе рв ую ко м анд у про грам м ы о бсл ужи в ани я пре ры в ани я, про це ссо ро бы ч ны м о бразо м нач и нае т в ы по л не ни е э то й про грамм ы . Вы по л не ни е про грам м ы о бсл ужи в ани я в не ш не го устро йств а зав е рш ае тся спе ци ал ьно й ко м анд о й В ОЗВР АТ И З П Р Е Р Ы В АНИ Я (в разл и ч ны х Э ВМ э та ко м анд а и м е е т м не м о ни ку RTI, REI, IRET). 6. По л уч и в ко м анд у ВОЗВ Р АТ И З П Р Е Р Ы ВАНИ Я, зав е рш ающ ую про грам м у о бсл ужи в ани я, про це ссо р в ы тал ки в ае т и з сте ка со хране нны й там ад ре с яч е йки о сно в но й про грам м ы , на ко то рую е м у над о в е рнуться и з пре ры в ани я, и пе ре сы л ае т е го в св о й ре ги стр-сч е тч и к ко м анд , зате м в ы тал ки в ае т и з сте ка и запи сы в ае т в св о й ре ги стрсо сто яни я пре жне е сл о в о со сто яни я про це ссо ра, по л но стью в о сстанав л и в ая те м сам ы м св о е со сто яни е , и м е в ш е е м е сто д о пе ре хо д а к о бсл ужи в а ни ю пре ры в ани я. 7. Про це ссо рв о зо бно в л яе т в ы по л не ни е пре рв анно й про грам м ы .

69 Обрати м в ни м ани е на не ко то ры е кл юч е в ы е м о м е нты и зл о же нно го м е хани зм а про це сса пре ры в ани япро грам м ы . И спо л ьзо в ани е о ргани заци и пре ры в ани й по в е кто рам , ад ре са ко то ры х д л я кажд о го в не ш не го устро йств а же стко ф и кси ро в аны в пам яти Э ВМ , о бе спе ч и в ае т по л ьзо в ате л ю Э ВМ по л ную св о бо д у в разм е щ е ни и в е е пам яти про грам м о бсл ужи в а ни я пре ры в ани й. Ад ре са э ти х про грам м зано сятся в со о тв е тств ующ и е яч е йки в е кто ро в о сно в но й про грам м о й. И спо л ьзо в ани е сте ка д л ясо хране ни яад ре са в о зв рата и з пре ры в ани я и те кущ е го сл о в а со сто яни я про це ссо ра по зв о л яе т е сте ств е нны м о бразо м (как и при о ргани заци и по д про грам м ) ре ал и зо в ать про це сс о бсл ужи в ани я влож енных прерыва ний, т.е . си туаци й, ко гд а д о зав е рш е ни яо бсл ужи в ани я пре ры в ани я о т како го -л и бо в не ш не го устро йств а про це ссо р по со о тв е тств ующ е м у запро су пе ре хо д и т на о бсл ужи в ани е пре ры в ани я о т д руго го в не ш не го устро йств а, по сл е о ко нч ани я ко то ро го в о зв ращ ае тся в пре рв анную про грам м у о бсл ужи в ани я пе рв о го устро йств а. М е хани зм рабо ты сте ко в о й пам яти ав то м ати ч е ски о бе спе ч и в ае т прав и л ьны й по ряд о к запо м и нани я со д е ржи м о го сч е тч и ка ко м анд и сл о в а со сто яни я про це ссо ра при по сл е д о в ате л ьно м в хо д е в о в л о же нны е про грам м ы о бсл ужи в ани я пре ры в ани й и и зв л е ч е ни я и х и з сте ка при по сл е д о в ате л ьно м в о зв рате и з э ти х про грам м . Важно й, е щ е не рассм о тре нно й, сто ро но й м е хани зм а пре ры в ани й яв л яе тсяобслу ж ива ние прер ыва ний в соот вет ст вии с ра зличным и приорит ет а м и внешних у ст ройст в, ко то ры е в о бщ е м сл уч ае м о гут зав и се ть о т ко нкре тно го ко нте кста в ы по л няе м о й про грам м ы . Де йств и те л ьно , в зав и си м о сти о т в ы по л няе м ы х в ко нкре тны е м о м е нты в ре м е ни ф ункци й, уч аств ующ и е в со в м е стно й рабо те устро йств а, в кл юч ая и сам про це ссо р, м о гут о бл ад ать разл и ч ны м и при о ри те там и . Во зм о жны си туаци и , ко гд а о со бая в ажно сть в ы по л няе м о го про це ссо ро м ф рагм е нта про грам м ы д е л ае т в о о бщ е не же л ате л ьны м каки е -л и бо пре ры в ани я э то го ф рагм е нта про грам м ы . Разны е назнач е ни е и ф ункци и в не ш ни х устро йств д е л ае т не о бхо д и м ы м , напри м е р, разре ш е ни е ко нф л и кта при о д но в ре м е нно м тре бо в ани и пре ры в ани я не ско л ьки м и устро йств ам и в по л ьзу устро йств а с бо л е е в ы со ки м в со о тв е тств и и с ре ш ае м о й и м зад ач е й при о ри те то м . Во зм о жны сл уч аи , ко гд а в о о бщ е не же л ате л ьны пре ры в ани я о т ко нкре тны х в не ш ни х устро йств , напри м е р, не и спо л ьзуе м ы х в ко нкре тно й про грам м е по л ьзо в ате л я.

70 Д л я ре ш е ни я пе ре ч и сл е нны х в о про со в сущ е ств уют со о тв е тств ующ и е арх и те ктурны е сре д ств а, в ч астно сти , сре д ств а о ргани заци и при о ри те то в . Рассм о три м и х. Сущ е ств уе т в о зм о жно сть програ м м ного у пра вления приорит ет ом процессора путе м со о тв е тств ующ е й устано в ки о пре д е л е нно го разряд а (разряд о в ) е го ре ги стра со сто яни я. Т ака я устано в ка при о ри те та про це ссо ра м о же т о сущ е ств л яться спе ци ал ьно й ко ма нд о й про грам м ны м путе м . Э та в о зм о жно сть м о же т бы ть и спо л ьзо в ана также при о бсл ужи в а ни и пре ры в а ни й о т устро йств , ко гд а по о пре д е л е нны м при ч и нам по л ьзо в ате л ю не же л ате л ьно , ч то бы про грам м а о бсл ужи в а ни я ко нкре тно го устро йств а пре ры в ал ась каки м и -л и бо д руги м и устро йств ам и . Д л я э то го д о стато ч но в сл о в е со сто яни я про це ссо ра, хранящ е мся в о в то ро й яч е йке в е кто ра пре ры в ани я д анно го устро йств а, устано в и ть бо л е е в ы со ки й при о ри те т про це ссо ра, ч то о бе спе ч и т запре т пре ры в ани й д о ко нца о бсл ужи в ани яд а нно го устро йств а, е сл и д о то го э то т разряд не буд е т о ч и щ е н про грам м ны м путе м . Сущ е ств уе т в о зм о жно сть за пр ет а прерыва ния к онк рет ным внешним у ст ройст ва м . Д л я э то го и спо л ьзуе тся о пре д е л е нны й разряд в ре ги страх со сто яни я в не ш ни х устро йств . Т е м сам ы м пре ры в ани я о т ко нкре тны х устро йств «м а ск иру ют ся» и про це ссо ро м не зам е ч а ются. Э то в ч астно сти уд о бно в те х сл уч аях, ко гд а про грам м а по л ьзо в ате л я рабо тае т то л ько с ч астью устро йств , по д кл юч е нны х к Э ВМ , т.к. по зв о л яе т не в кл юч ать в не е про грам м ны е мо д ул и о бсл ужи в ани яне и спо л ьзуе м ы х устро йств . Во м но ги х Э ВМ и спо л ьзуе тся так назы в ае м ая це по ч е ч но -группо в ая схе м а устано в л е ни япри о ри те та устро йств а при пре ры в ани и (см . ри с.11.2).

Ц е нтрал ьны й про це ссо р

ВУ, запраш и в аю щ е е пре ры в ани е

п р едос т. п р ер ы в. ВУ 1

x ВУ 2

ВУ 3

т р еб.п р ер ы в. Ве кто р пре ры в ани я

Канал Э ВМ Ри с.11.2

71 Как в и д но и з схе м ы , си гнал пре д о став л е ни я (по д тв е ржд е ни я) пре ры в ани я, про хо д я по сл е д о в ате л ьно ч е ре з и нте рф е йсы в се х в не ш ни х устро йств , д о хо д и т д о устро йств а, затре бо в ав ш е го пре ры в ани е . Сам о же э то устро йств о запре щ ае т д ал ьне йш е е распро стране ни е э то го си гнал а к д руги м , бо л е е уд ал е нны м о т про це ссо ра устро йств ам . Т аки м о бразо м , е сл и д в а устро йств а о д но в ре м е нно затре буют пре ры в ани е , то си гнал пре д о став л е ни я пре ры в ани я по ступи т то л ько на то и з ни х, ко то ро е распо л о же но бл и же по це по ч ке к про це ссо ру. Ф а к т ическ ий приорит ет у ст ройст ва в обслу ж ива нии прерыва ния бу д ет опред елят ься «близост ью» ра сполож ения его инт ерф ейса к цент ра льном у процессору . В Э ВМ мо гут бы ть ре ал и зо в аны , кро м е то го , так назы в ае м ы е нем а ск ир у ем ые прерыва ния. Обы ч но э то пре ры в ани я, си гнал и зи рующ и е про це ссо ру о в не ш ни х со бы ти ях о со бо й в ажно сти (напри м е р, но сящ и х катастро ф и ч е ски й х аракте р), таки х, ка к о ткл юч е ни е пи тани я, сбо й пам яти и т.п. Н е м аски руе м ы е пре ры в ани япри знаютсяи о брабаты в а ютсяпро це ссо ро м в се гд а неза висим о от у ст а новк и его приорит ет а , т.е . о ни о бл ад ают наи в ы сш и м при о ри те то м . Обсл ужи в ани е тако го ро д а пре ры в ани й по зв о л яе т в ряд е сл уч ае в спасти д анны е и про грам мы по л ьзо в ате л е й о т не о брати м ы х наруш е ни й. Кро м е пре ры в ани й, в ы зы в ае м ы х в не ш ни м и по о тно ш е ни ю к Э ВМ со бы ти ям и , в Э ВМ о бы ч но ре ал и зо в аны и так назы в ае м ы е в нутре нни е пре ры в ани я. Т аки е пре ры в ани я в о зни кают ав то мати ч е ски по си гна л ам в сам о м про це ссо ре , напри м е рв сл уч ае по л уч е ни я про це ссо ро м не сущ е ств ующ е го ко д а ко м анд ы , о бращ е ни я по не сущ е ств ующ е м у ад ре су, о ш и бки д е л е ни я и д р. Как и в не ш ни е пре ры в ани я, в нутре нни е пре ры в ани я о бе спе ч и в ают пе ре хо д про це ссо ра на про грам м ы о бсл ужи в ани я э ти х не ш татны х си туаци й, зад ав ае м ы й со о тв е тств ую щ и м и в е кто рам и пре ры в ани й. В си сте м е ко м анд м но ги х Э ВМ сущ е ств уют также спе ци ал ьны е ко м анд ы , в ы зы в ающ и е к ом а нд ные прерыва ния, и л и к ом а нд ы-лову шк и. При о брабо тке э ти х ко м анд также о сущ е ств л яе тсяпе ре хо д на про грамм у, ад ре с ко то ро й зад ае тся в е кто рам и пре ры в ани я, св язанны м и с э ти м и ко м анд ам и . И спо л ьзо в ани е ко манд ны х пре ры в ани й в како й-то м е ре напо м и нае т по д про грам м ы . Од нако и х и спо л ьзо в ани е о казы в ае тся бо л е е уд о бны м при ре ш е ни и зад ач в заи м о д е йств и я про грам м о пе раци о нно й си сте м ы и по л ьзо в ате л ьски х про грам м . С по м о щ ью ко м анд про грам м ны х пре ры в ани й о бы ч но о ргани зуются би бл и о те ки си сте м ны х м акро ко манд , о пе раци й в в о д а-в ы в о д а и д руги х о пе ра-

72 ци й, при ко то ры х не о бхо д и м о в заи м о д е йств и е по л ьзо в ате л ьски х и си сте м ны х про грам м . 11.5. П ря м ой д ос туп кп ам я ти Д о си х по р о пи сы в ае м ы е про це ссы управ л е ни я в в о д о м-в ы в о д о м и нф о рм аци и по д разум е в ал и акти в но е уч асти е в ни х це нтрал ьно го про це ссо ра Э ВМ . И м е нно про це ссо р о сущ е ств л ял в ни х управ л е ни е ко м по не нтам и Э ВМ , ф о рм и ро в ани е ад ре со в д анны х и по рто в в в о д а-в ы в о д а, ко нтро л ь в е л и ч и ны пе ре д ав ае м ы х м асси в о в д анны х, управ л е ни е ш и нам и ад ре са и д анны х . Н а практи ке ч асто в о зни кае т не о бхо д и м о сть пе ре д ач и бе з како й-л и бо о брабо тки бо л ьш и х м асси в о в и нф о рм аци и и з в не ш не го устро йств а в о пе рати в ную пам ять и л и нао бо ро т. Обы ч но в тако м ре жи м е про в о д и тся о бм е н с в не ш ни м и запо м и нающ и м и устро йств а м и , напри м е р, с нако пи те л ям и на м агни тны х д и сках. При и спо л ьзо в ани и с э то й це л ью рассмо тре нны х в ы ш е спо со бо в о бм е на и нф о рм аци е й с в не ш ни м и устро йств ам и , про це ссо рд о л же н д л я пе ре сы л ки к а ж д ого элем ент а д а нных (сл о в а и л и байта) в ы по л ни ть це л ую группу ко м анд и о бращ е ни й к пам яти (ч те ни е ко м анд , о пре д е л е ни е и сч и ты в ани е ад ре со в , пе ре сы л ка д анны х , по д сч е т ко л и ч е ств а пе ре д анны х е д и ни ц д анны х , в ы по л не ни е про в е рки на о ко нч ани е пе ре д ав ае м о го м асси в а д анны х и д р.). Оч е в и д но , ч то в о в л е ч е ни е про це ссо ра в о пе раци и тако го ти па при в о д и т к не раци о нал ьно м у и спо л ьзо в ани ю е го «спо со бно сте й» и «в ре м е ни », по ско л ьку ни каки х м ани пул яци й д анны м и , кро м е и х пе ре д ач и не тре буе тся. Бо л е е то го , уч и ты в ая в ы со кую ско ро сть, с ко то ро й со в ре м е нны е запо м и нающ и е устро йств а м о гут запи сы в ать и сч и ты в ать д анны е , при и спо л ьзо в ани и и зл о же нны х м е то д о в о бм е на и нф о рм аци е й уже про це ссо р, а не в не ш не е устро йств о м о же т о грани ч и в ать ско ро сть пе ре д ач и бо л ьш и х м асси в о в д анны х . При ч и на э то го в то м , ч то в рассмо тре нны х ре жи м ах в в о д а-в ы в о д а пе ре сы л ку кажд о го байта и нф о рм аци и про це ссо ру тре буе тся в ы по л ни ть це л ую се ри ю д о по л ни те л ьны х о пе раци й по о про су го то в но сти устро йств а и л и о брабо тке е го пре ры в ани й. Д л я ре ш е ни я э то го в о про са, а и м е нно , д л я ум е ньш е ни я «накл ад ны х расх о д о в » при пе ре д ач е д анны х бо л ьш и м и бл о кам и , не по сре д ств е нно в пам ять Э ВМ и и з не е в о в не ш не е устро йств о , и спо л ьзуе тся м е то д прям ого д ост упа к па м ят и(ПД П), по -англ и йски – Direct Memory Access (DMA).

73 В ре жи м е прям ого д ост у па к па м ят и о бм е н д анны м и м е жд у в не ш ни м и устро йств ам и и пам ятью Э ВМ про и схо д и т без у ча ст ия процессора . Обм е но м в ре жи ме прям о го д о ступа к пам яти управ л яе т уже не про це ссо р, в ы по л няющ и й ко м анд ы како й-л и бо про грам м ы , а э л е ктро нны е схе м ы , в не ш ни е по о тно ш е ни ю к про це ссо ру. Обы ч но схе м ы , управ л яющ и е о бм е но м в ре жи м е ПД П , разме щ а ются в спе ци ал ьно м устро йств е , назы в ае м о м к онт р оллером прям ого д ост у па к па м ят и. При не о бх о д и м о сти о сущ е ств л е ни я се анса прям о го д о ступа к пам яти ко нтро л л е рПД П по сы л ае т про це ссо ру си гнал т ребова ние прям ого д ост у па . Про це ссо р, по л уч и в э то т си гнал , зав е рш ае т ци кл о бращ е ни я к канал у Э ВМ , при о станав л и в а я(и , в о тл и ч и е о т пре ры в ани й, не о бязате л ьно зав е рш ая) в ы по л не ни е о ч е ре д но й ко м анд ы . По сл е э то го в ы д ае т в ко нтро л л е рПД П си гнал пред ост а вление прям ого д ост у па и о ткл юч ае тся о т ш и н си сте м но го и нте рф е йса. С э то го м о м е нта в се ш и ны канал а Э ВМ управ л яются ко нтро л л е ро м П Д П. Ко нтро л л е р П Д П , и спо л ьзуя ад ре сны е ш и ны и ш и ны д анны х Э ВМ , сам о сто яте л ьно ф о рм и руе т ад ре с со о тв е тств ующ е й яч е йки пам яти и о сущ е ств л яе т пе ре сы л ку д анны х в пам ять и л и и з яч е йки пам яти , по сл е ч е го в о зв ращ ае т управ л е ни е про це ссо ру Э ВМ . Ко нтро л л е р ПД П са мо сто яте л ьно о сущ е ств л яе т по д сч е т ч и сл а пе ре д анны х байто в , о сущ е ств л яя то л ько ч то о пи санны м спо со бо м зах в ат управ л е ни яш и нам и Э ВМ . Пе ре д ач а и нф о рм а ци и в ре жи м е П Д П м о же т о сущ е ств л яться как сразу бо л ьш и м и бл о ка ми и нф о рм аци и , так и м ал ы м и по рци ям и , в пи сы в ая и х в про м е жутки м е жд у ци кл ам и о бращ е ни я про це ссо ра к канал у. Зах в ат ко нтро л л е ро м П Д П ци кл о в управ л е ни я ш и нам и Э ВМ д л я рабо ты с е е пам ятью, ко не ч но , зам е д л яе т в ы по л не ни е про це ссо ро м о сно в но й про грам м ы . Од нако , при прав и л ьно й о ргани заци и рабо ты про це ссо ра, в о в ре м я ци кл а ПД П о н м о же т не при о станав л и в ать по л но стью св о ю рабо ту, а в ы по л нять о пе раци и , не св язанны е с о бращ е ни е м к пам яти по ш и нам «д анны х-ад ре са». Уч и ты в ая сказанно е , ре жи м прям о го д о ступа к пам яти по зв о л яе т го разд о бо л е е э ф ф е кти в но , ч е м д руги е ре жи м ы в в о д а-в ы в о д а, и спо л ьзо в ать в ре мя про це ссо ра при в в о д е -в ы в о д е бо л ьш и х бл о ко в и нф о рм аци и .

74 11.6. Б уф ер ы д анны х в с ис тем ах в в од а-в ы в од а В о ргани заци и си сте м в в о д а-в ы в о д а в ажно е м е сто зани м ают бу ф еры д а нных (буф е рны е запо м и наю щ и е устро йств а и л и ре ги стры ). Буф е ры д анны х в ы по л няют сл е д ующ и е ф ункци и : • со гл асо в ани е ф орм а т ов д а нных, с ко то ры м и рабо тают пе ре д ающ е е и при ни м аю щ е е и нф о рм аци ю устро йств а; • со гл асо в ани е ск орост ей рабо ты пе ре д ающ е го и при ни м ающ е го устро йств ; • в и ртуал ьно е (кажущ е е ) изм енение ко л и ч е ств е нны х и кач е ств е нны х ха ра к т ер ист ик пе ри ф е ри йно го устро йств а. К характе ри сти кам пе ри ф е ри йно го устро йств а, сущ е ств е нны м д л я о бм е на и нф о рмаци е й, м о жно о тне сти сл е д ующ и е : • ф о рм ат е д и ни ц и нф о рм аци и (би т, байт, сл о в о и т.д .), ко то ры е пе ре д ае т и л и при ни м ае т устро йств о ; • и нте рв ал в ре м е ни ме жд у по сл е д о в ате л ьно пе ре д ав ае м ы м и е д и ни цам и и нф о рм аци и , и и нте рв ал в ре м е ни м е жд у запро сам и в не ш не го устро йств а на о бсл ужи в ани е ; • м акси м ал ьно д о пусти м о е в ре м я о жи д ани я в не ш ни м устро йств о м о бсл ужи в ани ясо сто ро ны Э ВМ . Бл аго д аря нал и ч и ю буф е ра, ув е л и ч и в ае тся и нте рв ал в ре м е ни м е жд у запро сам и , и л и , д руги м и сл о в ам и , в о сто л ько же раз ум е ньш ае тся ч асто та запро со в на пе ре д ач у и л и при е м и нф о рм аци и . Н ал и ч и е буф е ра м о же т при в о д и ть к в и ртуал ьно м у (кажущ е м уся) кач е ств е нно м у и зм е не ни ю х аракте ри сти к в не ш не го устро йств а. Н апри м е р, в о в не ш не м запо м и на ющ е м устро йств е с м агни тно й л е нто й пе ре д ач а при запи си и сч и ты в ани и и нф о рм аци и про и зв о д и тся с по сто янно й ско ро стью. Други м и сл о в ам и , ЗУ с м агни тно й л е нто й яв л яе тся устро йств о м с си нхро нно й пе ре д ач е й, на в язы в а ющ е й Э ВМ св о й те м п при е м а (в ы д ач и ) и нф о рм аци и . Од нако , е сл и е сть буф е р, е м ко сть ко то ро го д о стато ч на д л япро м е жуто ч но го хране ни я бо л ьш о го бл о ка д анны х, сч и ты в ае мы х (и л и запи сы в ае м ы х) с л е нты , то по о тно ш е ни ю к про це ссо ру ЗУ с м агни тно й л е нто й стано в и тся устро йств о м с аси нх ро нно й по бл о ч но й пе ре д ач е й и нф о рмаци и , рабо тающ е м в про и зв о л ьно м те м пе .

75 11.7. Контрольны е в оп рос ы 1. В ч е м со сто ят при нци пи а л ьны е про бл е м ы о ргани заци и о бм е на и нф о рм аци е й с в не ш ни м и устро йств а м и (о ргани заци и в в о д а/в ы в о д а)? 2. Ч то тако е и нте рф е йс в не ш не го устро йств а? 3. Осно в ны е в и д ы в не ш ни х устро йств , и х о со бе нно сти . 4. Ч то тако е по рт в в о д а/в ы в о д а? 5. Ре жи м ы о бм е на и нф о рм аци е й Э ВМ с в не ш ни м и устро йств ам и . Кто в кажд о м ре жи м е яв л яе тся и ни ци ато ро м о бм е на, и кто о сущ е ств л яе т управ л е ни е о бм е но м ? 6. Каки м о бразо м о пре д е л яе тся го то в но сть в не ш не го устро йств а к о бм е ну и нф о рм аци е й? 7. Ч то тако е ре ги стрд анны х и ре ги стрсо сто яни яв не ш не го устро йств а? 8. Ал го ри тм про грам м но го в в о д а/в ы в о д а по о про су ф л ага го то в но сти в не ш не го устро йств а? 9. Ал го ри тм в ы в о д а си м в о л а на э кран те рм и нал а в ре жи м е про грам м но управ л яе м о го в в о д а/в ы в о д а с о про со м го то в но сти устро йств а. 10.В ч е м со сто и т о сно в но й не д о стато к про грамм но -управ л яе м о го в в о д а/в ы в о д а с о про со м го то в но сти устро йств а? 11.В ч е м со сто и т ко нце пци я в в о д а/в ы в о д а в ре жи м е пре ры в ани я про грам мы ? 12.Каки е при нци пи ал ьны е про бл е м ы д о л жны ре ш аться при в в о д а/в ы в о д а в ре жи м е пре ры в ани япро грам м ы ?

ре ал и заци и

13.Ч то про це ссо р д е л ае т при по л уч е ни и о т в не ш не го устро йств а си гнал а тре бо в ани япре ры в ани я? a) пре кращ ае т в ы по л не ни е про грам мы ; b) пре кращ ае т в ы по л не ни е про грам м ы и по д ае т в не ш не м у устро йств у си гнал пре д о став л е ни япре ры в ани я; c) заканч и в ае т в ы по л не ни е те кущ е й ко м анд ы ; d) пре кращ ае т в ы по л не ни е про грам м ы и пе ре хо д и т на про грам м у о бсл ужи в ани яв не ш не го устро йств а; e) про д о л жае т в ы по л не ни е те кущ е й ко м анд ы ; f) в аш в ари ант.

76 14.Каки м о бразо м про це ссо рузнае т ад ре с, по ко то ро м у в пам яти Э ВМ на хо д и тся про грам м а о бсл ужи в ани я в не ш не го устро йств а, затре бо в ав ш е го пре ры в ани е ? 15.Ч то тако е в е кто рпре ры в ани я? 16.Ро л ь сте ка при ре ал и заци и м е хани зма пре ры в ани я. 17.Откуд а по яв л яе тсяи нф о рм аци я(и какая) в в е кто ре пре ры в ани я? a) в в о д и тсяпо л ьзо в ате л е м с кл ав и атуры Э ВМ ; b) пе ре д ае тсяи з в не ш не го устро йств а; c) устанав л и в ае тсяпро грам м ны м путе м ; d) в аш в ари ант. 18.По сл е в ы по л не ни я каки х д е йств и й про це ссо р по сы л ае т в не ш не м у устро йств у си гнал пре д о став л е ни япре ры в ани я? 19.Ч то д е л ае т в не ш не е устро йств о при по л уч е ни и о т про це ссо ра си гнал а пре д о став л е ни япре ры в ани я? a) пе ре д ае т про це ссо ру ад ре с св о е й про грам м ы о бсл ужи в ани я; b) пе ре д ае т про це ссо ру св о й в е кто рпре ры в ани я; c) пе ре д ае т про це ссо ру ад ре с св о е го в е кто ра пре ры в ани я; d) нач и нае т при е м /пе ре д ач у д анны х; e) жд е т о т про це ссо ра спе ци ал ьно й ко м анд ы в в о д а/в ы в о д а; f) в аш в ари ант. 20.Ч то тако е при о ри те т про це ссо ра, каки м о бразо м е го м о жно устанав л и в ать? 21.Ч то тако е при о ри те т в не ш не го устро йств а, каки м о бразо м е го м о жно устанав л и в ать? 22.Каки м о бразо м м о жно запре ти ть преры в ани е в се м в не ш ни м устро йств ам , ко гд а м о же т в о зни кнуть такаяне о бхо д и м о сть? 23.Каки м о бразо м м о жно запре ти ть/разре ш и ть пре ры в ани е ко нкре тно м у в не ш не м у устро йств у, ко гд а мо же т в о зни кнуть такаяне о бхо д и м о сть? 24.Ч то про и зо йд е т, е сл и д в а в не ш ни х устро йств а о д но в ре м е нно затре буют пре ры в ани е ? 25.Ч то тако е в л о же нны е пре ры в ани я? 26.При пе ре хо д е в ре жи м пре ры в а ни япро це ссо рзапо м и нае т в сте ке : a) ад ре с в о зв рата в пре рв а нную про грам м у; b) в е кто рпре ры в ани я;

77 c) d) e) f)

сл о в о со сто яни япро це ссо ра; ад ре с в не ш не го устро йств а, в ы зв ав ш е го пре ры в ани е ; ад ре с по д про грам м ы о бсл ужи в ани япре ры в ани я; в аш в ари ант.

27.Каки м о бразо м при о ко нч ани и о бсл ужи в а ни я в не ш не го устро йств а, в ы зв ав ш е го пре ры в ани е , о сущ е ств л яе тсяв о зв рат в пре рв а нную про грам м у? 28.Каки е о пе раци и не о бхо д и м о о сущ е ств и ть в про грам м е , е сл и в ы хо ти те рабо тать с в не ш ни м и устро йств ам и в ре жи м е пре ры в ани я? 29.Ч то тако е не м аски руе м ы е пре ры в ани я? 30.Ч то тако е про грам м ны е пре ры в а ни я? 31.Ч то тако е прям о й д о ступ к пам яти ? 32.В ч е м о тл и ч и е прям о го д о ступа к пам яти о т д руги х (каки х?) ре жи м о в в в о д а/в ы в о д а и нф о рм аци и ? 33.В ре жи м е прям о го д о ступа к пам яти управ л е ни е в в о д о м /в ы в о д о м о сущ е ств л яе тся: a) про грам м о й по л ьзо в ате л я; b) в не ш ни м устро йств о м ; c) про це ссо ро м ; d) в аш в ари ант. 34.Каки е в не ш ни е устро йств а о бы ч но и спо л ьзуют в в о д /в ы в о д и нф о рм аци и в ре жи ме прям о го д о ступа к пам яти и по ч е м у? 35.Ч то д о л жно «ум е ть» в не ш не е устро йств о , о сущ е ств л яющ е е в в о д /в ы в о д и нф о рм аци и в ре жи м е прям о го д о ступа к пам яти ?

78 12. У п рав ление п амя тью Э В М , рас ш ире ние ад ре с ного п рос транс тв а, д инам ич е с кое рас п ред еление п ам я ти 12.1. П роблем ы уп рав ления п ам я тью и рас ш ирения ад рес ного п рос транс тв а О пе рати в ная пам ять Э ВМ , как и е е це нтрал ьны й про це ссо р, яв л яются наи бо л е е в ажны м и ре сурсами Э ВМ , сущ е ств е нны м о бразо м о пре д е л яю щ и м и э ф ф е кти в но сть рабо ты Э ВМ в це л о м . Важно сть пам яти о пре д е л яе тсяте м , ч то ник а к а я прогр а м м а не м ож ет быт ь выполнена Э В М , если она не на ход ит ся в ее опера т ивной па м ят и. В св язи с э ти м сл о жно сть и в ре м я в ы по л не ни я ре ш ае м ы х Э ВМ зад ач в бо л ьш о й сте пе ни о пре д е л яются о бъе м о м е е пам яти . Од ни м и з ш и ро ко и спо л ьзуе м ы х ме то д о в сущ е ств е нно го по в ы ш е ни я э ф ф е кти в но сти и спо л ьзо в ани я ЭВМ яв л яе тся о ргани заци я е е рабо ты в м ногоза д а чном (м ул ьти про грам м но м ) и м ногопользова т ельск ом ре жи м ах. В мул ьти про грам мны х си сте м ах разм е щ е ни е в се х и спо л няе м ы х про грам м по л но стью в о пе рати в но й пам яти в бо л ьш и нств е сл уч ае в не в ы по л ни м о , так как про грам м ы о бы ч но и м е ют бо л ьш ую д л и ну, а е м ко сть и спо л ьзуе м о й о пе рати в но й пам яти в се гд а о грани ч е на. Од нако не т при нци пи ал ьно й не о бх о д и м о сти в то м , ч то бы в сяпро грам м а нахо д и л ась в о пе рати в но й па м яти , так как в л юбо й м о м е нт в ре м е ни рабо та про грам мы ко нце нтри руе тся на о пре д е л е нны х срав ни те л ьно не бо л ьш и х уч астках. Т аки м о бразо м , в о пе рати в но й пам яти м о жно храни ть то л ько и спо л ьзуе м ы е в д анны й пе ри о д в ре м е ни ч асти про грам м , а не и спо л ьзуе м ы е м о гут распо л агаться в о в не ш не м запо м и нающ е м устро йств е . При э то м , про грам м и руя св о ю про грам м у, по л ьзо в ате л ь не знае т, в ко м би наци и с ка ки м и про грам м ам и буд е т в ы по л няться е го про грам м а, како е м е сто в пам яти о тв е д е т е й о пе раци о ннаяси сте м а, ко то рая д о л жна о бе спе ч и в ать в о зм о жно сть неза висим ой рабо ты про грам м и сто в над св о и м и про грам м ам и , по д л е жащ и м и м ул ьти про грам м но й о брабо тке . В св язи с э ти м , по м и м о стре м л е ни як у величению д о ступно го о бъе м а пам яти Э ВМ , бо л ьш о е знач е ни е при о бре тае т про бл е м а э ф ф е кти в но го у пра вления памятью, д и нам и ч е ско го распре д е л е ни я ад ре сно го про странств а пам яти м е жд у разл и ч ны м и зад ач ам и в про це ссе и х в ы по л не ни я.

79 Как уже го в о ри л о сь в ы ш е , о д ни м и з наи бо л е е в ажны х ф акто ро в , о пре д е л яющ и х о бъе м ад ре сно го про странств а Э ВМ , яв л яе тся разряд но сть ЭВМ , т.е . ко л и ч е ств о разряд о в о пе ранд о в -д анны х и ад ре со в , с ко то ры ми о пе ри руе т е е це нтрал ьны й про це ссо р. Т ак в 16-разряд ны х Э ВМ по л ьзо в ате л ь м о же т не по сре д ств е нно и спо л ьзо в ать в про грам м е ад ре са, и зм е няющ и е ся о т нул я д о 216 =65536, в ы ражае м ы е 16-разряд ны м и д в о и ч ны м и сл о в ам и . Д ля т ого, чт обы Э В М м огла обеспечит ь обра щение к большем у а д ресном у прост р а нст ву , в ней обяза т ельно д олж ны быт ь а ппа ра т ные сред ст ва , позволяющие ф орм ир ова т ь а д ресное слово с большим к оличест вом ра зряд ов. И таки е сре д ств а в бо л ьш и нств е со в ре м е нны х 16-разряд ны х Э ВМ и м е ются. Про це ссо ры , о пе ри рую щ и е сл о в ам и с бо л ьш и м ко л и ч е ств о м разряд о в , напри м е р 32-х, 64-х разряд ны е , по зв о л яют не по сре д ств е нно ад ре со в аться к знач и те л ьно бо л ьш е м у ад ре сно м у про странств у, в о м но го раз пре в ы ш ающ е м у д о сти жи м ы й на со в ре м е нно м э тапе о бъе м ф и зи ч е ско й пам яти Э ВМ . Од нако и д л я ни х , м о же т бы ть д аже в бо л ьш е й сте пе ни , о стае тся в ажно й про бл е м а э ф ф е кти в но го д и нам и ч е ско го распре д е л е ни я и м е ющ е йся пам яти м е жд у бо л ьш и м ч и сл о м зад ач и по л ьзо в ате л е й. Н и же буд ут рассм о тре ны о сно в ны е арх и те ктурны е ре ш е ни я, и спо л ьзуе м ы е д л я ув е л и ч е ни я д о ступно го ад ре сно го про странств а 16-разряд ны х Э ВМ и управ л е ни я расш и ре нно й пам ятью. При э то м , о д нако , над о и м е ть в в и д у, ч то про бл е м а управ л е ни я пам ятью ЭВМ ре ш ае тся ко м пл е ксо м аппаратно про грам м ны х сре д ств , т.е . не то л ько о пре д е л е нны м и арх и те ктурны м и о со бе нно стям и по стро е ни я про це ссо ра Э ВМ , но и те сно св язанны м и с ни м и про грам м ны м и сре д ств ам и о пе раци о нно й си сте мы Э ВМ . 12.2. Ф изич е с кое и в иртуальное ад рес ны е п рос транс тв а При ре ш е ни и про бл е м ы ад ре сно го про странств а и управ л е ни я пам ятью Э ВМ о ч е нь в ажно й яв л яе тся ко нце пци я ра зд еления ф изическ ого и вирт уа льного а д ресных прост ра нст в. По д ф изическ ой па м ят ью Э ВМ по ни м ают м но же ств о и м е ю щ и хся в аппаратуре Э ВМ яч е е к о пе рати в но й пам яти . В ирт у а льной па м ят ью назы в ают ад ре сно е про странств о , с ко то ры м о пе ри руе т по л ьзо в ате л ь в св о и х про грам м ах . При ч е м ко нце пци я в ы д е л е ни я таки х д в ух в и д о в пам яти – ф и зи ч е ско й и в и ртуал ьно й по д разум е в ае т, ч то в общем слу ча е используем ые програ м м ой ф изическ ие и вирт у а льные а д реса

80 ча е использу ем ые програ м м ой ф изическ ие и вирт у а льные а д реса не совпа д а ют . При нци п в и ртуал ьно й пам яти пре д по л агае т, ч то по л ьзо в ате л ь при по д го то в ке св о е й про грам м ы и м е е т д е л о не с ф и зи ч е ско й о пе рати в но й пам ятью, д е йств и те л ьно рабо тающ е й в со став е ко нкре тно й в ы ч и сл и те л ьно й си сте м ы , а с в и ртуал ьно й (т. е . кажущ е йся) о д но уро в не в о й пам ятью . Е м ко сть в и ртуал ьно й пам яти рав на в се м у ад ре сно м у про странств у, о пре д е л яе м о м у разм е ро м ад ре сны х по л е й в ф о рм атах ко м анд и базо в ы х ре ги стро в . По л ьзо в ате л ь и ме е т в св о е м распо ряже ни и в се ад ре сно е про странств о си сте м ы не зав и си м о о т о бъе м а е е ф акти ч е ско й ф и зи ч е ско й пам яти и о бъе мо в и распо л о же ни яо бл асте й пам яти , не о бхо д и мы х д л я д руги х про грам м , уч аств ующ и х в м ул ьти про грам м но й о брабо тке . Н а в се х э тапах по д го то в ки про грам м, в кл юч ая загрузку в о пе рати в ную пам ять, про грам м а пре д став л яе тся в вир т у а льных а д р еса х, нач и наю щ и м и ся о т нул е в о го ад ре са. По л ьзо в ате л ь заране е не знае т, гд е в ф и зи ч е ско й пам яти буд е т распо л агаться е го про грам м а. Л и ш ь при сам о м и спо л не ни и м а ш и нно й ко м анд ы с по м о щ ью специа льных а ппа р а т ных и сист ем ных програ м м ных ср ед ст в про и зв о д и тся пре о бразо в ани е в и ртуа л ьны х ад ре со в в ре ал ьны е ад ре са д е йств ую щ е й пам яти . Д руги ми сл о в ам и , э ти сре д ств а осу щест вляют от обра ж ение вирт у а льных а д ресов од ной или неск ольк их програ м м на к онк рет ные а д реса ф изическ ой па м ят и, о то браже ни е , бо л е е и л и м е не е э ф ф е кти в но е с то ч ки зре ни я о бщ и х кри те ри е в ре ш е ни я Э ВМ по л ьзо в ате л ьски х зад ач . Пре о бразо в ани е в и ртуал ьны х ад ре со в в ф и зи ч е ски е упро щ ае тся, е сл и ф и зи ч е скую и в и ртуал ьную пам ять разби ть на бл о ки , со д е ржащ и е о д и нако в о е ч и сл о байт. Т аки е бл о ки о бы ч но назы в аются ст ра ница м и и л и сегм ент а м и. Страни цам в и ртуал ьно й и ф и зи ч е ско й пам яти при св аи в ают но м е ра, назы в ае м ы е но м е рам и со о тв е тств ующ и х в и ртуал ьны х и ф и зи ч е ски х страни ц. Кажд ая ф и зи ч е ская страни ца спо со бна храни ть о д ну и з в и ртуал ьны х страни ц. По ряд о к распо л о же ни я (нум е раци я байт) в в и ртуал ьно й и ф и зи ч е ско й страни ца х со храняе тсяо д ни м и те м же . В м ул ьти про грам м но й си сте м е страни ч ная о ргани заци я пам яти д ае т о пре д е л е нны е пре и мущ е ств а. Ко гд а но в ая про грам м а загружае тся в о пе рати в ную пам ять, о на м о же т бы ть направ л е на в л юбы е св о бо д ны е в д анны й м о м е нт ф и зи ч е ски е страни цы не зав и си м о о т то го , распо л о же ны о ни по д ряд и л и не т. Н е тре буе тся пе ре м е щ е ни я и нф о рм аци и в о стал ьно й ч асти пам яти .

81 Страни ч ная о ргани заци я по зв о л яе т со крати ть о бъе м пе ре д ач и и нф о рм аци и м е жд у в не ш ни м запо м и нающ и м устро йств о м и о пе рати в но й пам ятью. Про грам м а м о же т загружаться в о пе рати в ную пам ять не це л и ко м. Внач ал е в о пе рати в ную пам ять загружае тся нач ал ьная страни ца про грам м ы , ко то ро й пе ре д ае тсяуправ л е ни е . Д руги е страни цы про грам м ы не д о л жны загружаться д о те х по р, по ка о на д е йств и те л ьно не по над о би тся. Е сл и по хо д у про грам м ы д е л ае тсяпо пы тка в ы бо рки сл о в и з д руго й страни цы , то про и зв о д и тсяав то м ати ч е ско е о бращ е ни е к о пе раци о нно й си сте м е , ко то рая о сущ е ств л яе т загрузку тре буе м о й страни цы . 12.3. Рас ш ире ние ад рес уем ого п рос транс тв а в 16-ти разря д ны х Э В М Рассм о три м о сно в ны е при нци пы архи те ктурны х ре ш е ни й, и спо л ьзуе м ы х д л яуправ л е ни япам ятью в 16-разряд ны х про це ссо рах ЭВМ . В э ти х Э ВМ ф и зи ч е ско е ад ре сно е про странств о бо л ьш е в и ртуал ьно го , о грани ч е нно го раз16 ряд но стью ад ре са и со став л яющ е го 2 байт. М о д и ф и каци я, то е сть пре о бразо в ани е и спо л ьзуе м о го в про грам м е в и ртуал ьно го ад ре са в ф и зи ч е ски й ад ре с расш и ре нно й пам яти , о сущ е ств л яе тсяв Э ВМ путе м при бав л е ни як в и ртуал ьно м у ад ре су так назы в ае мо й к онст а нт ы перем ещения, см е щ аю щ е й в и ртуал ьны й ад ре с в со о тв е тств ующ е е м е сто ф и зи ч е ско й пам яти , как э то по казано на ри с.12.1. Ви ртуал ьны й ад ре с 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 15 8 7 6 0 + Ко нстанта пе ре м е щ е ни я 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 = Ф и зи ч е ски й ад ре с 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 15 0 21 Ри с.12.1 Д л я ф о рм и ро в ани я ко нстанты пе ре м е щ е ни я, о пре д е л яю щ е й ф акти ч е ски й ад ре с в ф и зи ч е ско й пам яти , в со став про це ссо ра в в о д ят о д и н и л и не ско л ько

82 д о по л ни те л ьны х ре ги стро в . По нятно , ч то , в о о бщ е го в о ря, ч и сл о разряд о в в ко нстанте пе ре м е щ е ни я д о л жно бы ть тако е же , как и в ад ре се ф и зи ч е ско й пам яти , о д нако , д л я то го , ч то бы о бе спе ч и ть в о зм о жно сть ф о рм и ро в ани я ко нстант пе ре м е щ е ни я про грам м ны м путе м , ре ги стры д л я х ране ни я ко нстант пе ре м е щ е ни яд е л ают 16-разряд ны м и . При ф о рм и ро в ани и ф и зи ч е ско го ад ре са в про це ссо ре к и схо д но м у в и ртуал ьно м у ад ре су при бав л яе тся со д е ржи м о е ре ги стра, со д е ржащ е го ко нстанту пе ре м е щ е ни я, но не не по сре д ств е нно , а со сд в и го м в л е в о на со о тв е тств ующ е е ко л и ч е ств о разряд о в с д о по л не ни е м не д о стающ и х мл ад ш и х разряд о в нул ям и , как э то по казано на ри с.12.1. Всл е д ств и е то го , ч то э ти д о по л няе м ы е м л ад ш и е разряд ы ко нстанты пе ре м е щ е ни я не м о гут и зм е няться, то ч но сть, с ко то ро й о на м о же т по зи ци о ни ро в ать в и ртуал ьны й ад ре с в ф и зи ч е ско й пам яти , о пре д е л яе тся ч и сл о м таки х не мо д и ф и ци руе м ы х м л ад ш и х разряд о в (на ри с.12.1 э то ш е сть разряд о в ). Д руги м и сл о в ам и , страни ца в и ртуал ьно й пам яти о то бражае тсяне в л юбо е м е сто ф и зи ч е ско й пам яти , а д и скре тно по ад ре сам кратны м ч и сл у, о пре д е л яе м о м у ко л и ч е ств о м д о бав л яе м ы х к со д е ржи м о м у ре ги стра с ко нстанто й пе ре м е щ е ни я не м о д и ф и ци руе м ы х м л ад ш и х разряд о в . Сам а запи сы в ае м ая в тако й ре ги стрк онст а нт а перем ещения за д а ет ф а к т ическ исм ещение на ча ла ф изическ ой ст ра ницы (сегм ент а ) от на ча ла ф изическ ой па м ят и, а вирт уа льный а д рес за д а ет от носит ельный а д рес вну т ри ф изическ ой ст ра ницы (сегм ент а ). В св язи с э ти м , ре ги стры про це ссо ра, и спо л ьзуе м ы е д л я указани я ко нстант пе ре м е щ е ни я, в не ко то ры х Э ВМ назы в аются ре ги страм и ад ре са страни ц (РАС). В про це ссо рах Intel о ни назы в аютсясе гм е нтны м и ре ги страм и . В про це ссо рах Intel 8086, 80286 и м е е тся ч е ты ре 16-разряд ны х се гме нтны х ре ги стра (CS, DS, SS и ES), ко то ры е и спо л ьзуютсяд л яразл и ч ны х це л е й. Ре ги стрCS указы в ае т, и з како го се гм е нта ф и зи ч е ско й пам яти о сущ е ств л яе тся в ы бо рка ко м анд ; ре ги стр DS указы в ае т, и з како го се гм е нта в ы би раются д анны е (о пе ранд ы ); ре ги стр SS и д е нти ф и ци руе т те кущ и й се гм е нт сте ка и , нако не ц, ре ги стрES – те кущ и й д о по л ни те л ьны й се гм е нт д анны х . Органи заци я в ы по л не ни я в Э ВМ не ско л ьки х по л ьзо в ате л ьски х про грам м , разм е щ е нны х в разны х о бл астях ф и зи ч е ско й пам яти , со сто и т в про грамм и ро в ани и се гм е нтны х ре ги стро в таки м о бразо м , ч то бы в и ртуал ьны е ад ре са кажд о й по л ьзо в ате л ьско й про грам м ы пе ре ад ре со в ы в ал и сь в со о тв е тств ую щ и е о бл асти ф и зи ч е ско й пам яти .

83 12.4. Странич ная организация п ам я ти И спо л ьзо в ани е в м е сто о д но го се гме нтно го ре ги стра набо ра ре ги стро в ад ре са страни ц по зв о л яе т го разд о бо л е е ги бко о ргани зо в ать о то браже ни е в и ртуал ьно го ад ре сно го про странств а на ф и зи ч е ско е . И спо л ьзо в ани е набо ра ре ги стро в ад ре са страни ц и л л юстри руе тсяна ри с.12.2. 15 13 Ви ртуал ьны й ад ре с 1 1 0

1

1

0

1

1

6 1 0

5 0

1

0

1

1

0 0

1

0 0

Указы в ае т на РАС 6 0 1 2

Ре ги стры ад ре са страни ц (РАС)

3 4 5 6

1

0

1

1

0

0

0

1

1

15 0 0

0

0

1

1

0

0

0

0

7 21 1 0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

0

1

Ф и зи ч е ски й ад ре с, в ы ч и сл е нны й, как сум м а в и ртуал ьно го ад ре са и со д е ржи м о го РАС 6

Ри с.12.2 В д анно м сл уч ае , как в и д но и з ри сунка, д л я указани я ко нстант пе ре м е щ е ни я и спо л ьзуе тся в о се м ь так назы в ае м ы х регист ров а д р еса ст ра ниц. При ч е м но м е рре ги стра ад ре са страни цы , ко то ры й и спо л ьзуе тся д л я пе ре ад ре саци и ко нкре тно го в и ртуал ьно го ад ре са, о пре д е л яе тся тре м я старш и м и разряд ам и ко нкре тно го в и ртуал ьно го ад ре са, и спо л ьзуе м о го в ко м анд е . Т ако й спо со б ф о рм и ро в ани я ф и зи ч е ски х ад ре со в по зв о л яе т о то бражать не пре ры в но е в и ртуал ьно е ад ре сно е про странств о в в о се м ь ф и зи ч е ски х страни ц, про и зв о л ьны м о бразо м , не зав и си м о д руг о т д руга, разм е щ е нны х в ф и зи ч е ско й пам яти (ри с.12.3). Со д е ржащ и е ся в ре ги страх ад ре са страни ц в о се м ь ко нстант пе ре м е щ е ни я, о пре д е л яющ и х ко нкре тно е разм е щ е ни е ф раг-

84 м е нто в по л ьзо в ате л ьско й про грам мы в ф и зи ч е ско й пам яти Э ВМ , и но гд а назы в аютсяк а рт ой па м ят ии л и т а блицей ст ра ниц про грам м ы .

0 4К 8К 12К 16К 20К 24К 28К 32К

Л о ги ч е ско е ад ре сно е про странств о (в и ртуал ьная пам ять) Стр.0 Стр.1 Стр.2 Стр.3 Стр.4 Стр.5 Стр.6 Стр.7

Ф и зи ч е ская пам ять ...... Ре ги стры ад ре са страни ц См е щ См е щ См е щ См е щ См е щ См е щ См е щ См е щ

е ни е е ни е е ни е е ни е е ни е е ни е е ни е е ни е

0 1 2 3 4 5 6 7

Стр.6 Стр.7

...... Стр.14

...... Стр.25

...... Стр.109

...... Стр.118

...... Стр.245

......

Ри с.12.3 Д л я кажд о й по л ьзо в ате л ьско й про грам м ы и спо л ьзуе тся св о я карта пам яти , о бе спе ч и в ающ ая о то браже ни е ад ре со в и м е нно э то й про грам м ы в св о ю о бл асть ф и зи ч е ско й па м яти . При не о бхо д и м о сти о тд е л ьны е страни цы разны х про грам м м о гут пе ре кры в аться. Устано в ка нач ал ьны х знач е ни й ре ги стро в ад ре са страни ц (карты пам яти ) и и х и зм е не ни е в про це ссе рабо ты о сущ е ств л яе тся про грам м ны м путе м и о бы ч но в ы по л няе тся про грам мны м и сре д ств ам и о пе раци о нно й си сте м ы , о бе спе ч и в аю щ и м и распре д е л е ни е пам яти м е жд у про грам м ам и по л ьзо в ате л е й. Кро м е ре ги стро в ад ре са страни ц, в про це ссо ре м о гут и спо л ьзо в атьсяе щ е в о се м ь так назы в ае м ы х регист ров описа ния ст ра ниц. Э ти ре ги стры и спо л ьзуются д л я запи си и нф о рм аци и , св язанно й с х аракте ро м рабо ты с ко нкре тно й страни це й, напри м е р, устано в ка ре жи м а д о ступа к д анно й страни це : запи сь и ч те ни е , то л ько ч те ни е , запре т д о ступа, ко нтро л ь то го , о сущ е ств л ял ась л и запи сь и нф о рм аци и в д анную страни цу и л и не т.

85 12.5. У п рав ление п ам я тью в м ногозад ач ном режим е Как уже го в о ри л о сь в ы ш е , в 32-х и 64-х разряд ны х ЭВМ также д о л жно о бе спе ч и в аться управ л е ни е пам ятью с це л ью е е э ф ф е кти в но го распре д е л е ни ям е жд у разл и ч ны м и про це ссам и . Д л я э то го также д о л жно о сущ е ств л яться о то браже ни е и спо л ьзуе м о го про грам мам и в и ртуал ьно го ад ре сно го про странств а на ф и зи ч е скую пам ять Э ВМ , о бе спе ч и в ая кажд о м у по л ьзо в ате л ю в о зм о жно сть и спо л ьзо в ани я в про грам м ах не пре ры в но го про странств а ад ре со в , нач и наяс нул е в о го ад ре са. В о тл и ч и е о т 16-разряд ны х Э ВМ 32-х и 64-х разряд ны й ад ре с по зв о л яе т о пе ри ро в ать в и ртуал ьны м ад ре сны м про странств о м о бъе м о м со о тв е тств е нно 232 и 264 байта, ч то в о м но го раз пре в ы ш ае т ре ал и зуе м ы й о бъе м ф и зи ч е ско й пам яти . По э то м у сре д ств а управ л е ни япам ятью о то бражают в ф и зи ч е ско й пам яти то л ько ч асть в и ртуал ьно го ад ре сно го про странств а в ы по л няе м о го про це сса. Кажд ы й про це сс, со о тв е тств ую щ и й о пре д е л е нны м по л ьзо в ате л ьски м и л и си сте мны м про грам м ам , и м е е т св о е со бств е нно е ад ре сно е про странств о , о д нако , не ско л ько про це ссо в при не о бх о д и м о сти м о гут о бращ атьсяк о бщ е м у про странств у (страни ца м ) пам яти . Ви ртуа л ьно е ад ре сно е про странств о 32-х разряд но й Э ВМ разд е л яе тся на страни цы , на при м е рпо 512 байт (9 разряд о в в ад ре се ). Про грамм а стро и тсяв в и д е по сл е д о в ате л ьно сти набо ра страни ц, про нум е ро в анны х о т нул я д о не ко то ро го знач е ни я. Старш и е разряд ы (с 9-го по 31-й) в и ртуал ьно го ад ре са о пре д е л яют но м е р в и ртуал ьно й страни цы . Ф и зи ч е ская пам ять также разд е л яе тся на страни цы по 512 байт. Ад ре саци я ф и зи ч е ско й пам яти в ы по л няе тся с по м о щ ью 24-разряд но го ад ре са. М л ад ш и е 9 разряд о в ф и зи ч е ско го ад ре са указы в ают но м е рбайта в страни це , а старш и е 15 разряд о в – но м е рстрани цы в ф и зи ч е ско й пам яти . Ото браже ни е в и ртуал ьно го ад ре сно го про странств а в ф и зи ч е скую пам ять о сущ е ств л яе тся аппаратны м и сре д ств ам и про це ссо ра, назы в ае м ы м и д испет чером па м ят и, ко то ры е , кро м е преобра зова ниявирт у а льных а д ресов вф изическ ие, о бе спе ч и в ают ра спред еление па м ят и м еж д у исполняем ым и процесса м и и у пра вление д ост упом к па м ят и, то е сть е е защ и ту. Общ ая структура о то браже ни я в и ртуал ьны х ад ре со в в ф и зи ч е скую пам ять пре д став л е на на ри с.12.4.

86 Ф и зи ч е скаяпам ять О ЗУ ВЗУ

Т абл и ца пре о бразо в ани я ад ре со в про грам м ы А

Ви ртуал ьнаяпам ять про грам м ы A 0 1 2 3 4 5 6 7

Т и п пам яти

Н о м ерф и зи ч е ски х страни ц

Л о ги ч е ско е ад ре сно е про странств о

О ЗУ О ЗУ О ЗУ ВЗУ ВЗУ О ЗУ О ЗУ О ЗУ

5 0 12 4 10 8 9 1

Ви ртуал ьнаяпам ять про грам м ы В 0 1 2 3 4 5 6 7

О ЗУ ВЗУ О ЗУ ВЗУ О ЗУ О ЗУ ВЗУ О ЗУ

25 8 23 20 11 14 25 27

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

21 22 23 24 25 26 27 28

Т абл и ца пре о бразо в ани яад ре со в про грам м ы В

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Ри с.12.4 Н а ри с. 12.4 по казано со о тв е тств и е м е жд у в и ртуал ьны м и и ф и зи ч е ско й пам ятям и , устанав л и в ае м о е страни ч ны м и табл и цам и д в ух про грам м . Ви д но , ч то ф и зи ч е ски е страни цы мо гут со д е ржаться в те кущ и й мо м е нт в ре м е ни как в о пе рати в но й, так и в о в не ш не й пам яти . Ви ртуа л ьная страни ч ная о ргани заци я пам яти по зв о л яе т храни ть в ф и зи ч е ско й пам яти то л ько ч асть страни ц про це сса, а д ругую ч асть страни ц, ко то ры е в д анны й м о м е нт не и спо л ьзуются, – на д и ске . При о бращ е ни и к страни цам о ни загружаются с д и ска в ф и зи ч е скую пам ять, по м е ре не о бх о д и м о сти , заме щ а яв не й те страни цы , ко то ры е в д анны й м о ме нт не и спо л ьзуются.

87 Т акая про це д ура загрузки страни ц с д и ска назы в ае тся обм еном ст ра ниц и л и свопингом (о т англ и йско го swap). При в ы по л не ни и про грам м ы д и спе тч е р пам яти д о л же н ка жд ы й в и ртуа л ьны й ад ре с, ге не ри руе м ы й про це ссо м , пре о бразо в ать (трансл и ро в ать) в со о тв е тств ую щ и й ф и зи ч е ски й ад ре с. Д л я трансл яци и в и ртуал ьны х ад ре со в в ф и зи ч е ски е и спо л ьзуе тся структура д анны х, назы в ае м ая т а блицей ст ра ниц. Э та табл и ца со д е ржи т и нф о рм аци ю, не о бхо д и м ую д л ятрансл яци и ад ре со в . Т абл и ца страни ц пре д став л яе т со бо й набо р запи се й, по о д но й на кажд ую страни цу в и ртуал ьно й пам яти . Кажд ая запи сь указы в ае т на р еж им д ост у па про це ссо ра (ч те ни е , запи сь, не д о ступна) к со о тв е тств ующ е й страни це ф и зи ч е ско й пам яти , ра сполож ение ст ра ницы в ф и зи ч е ско й пам яти и л и на д и ске , ном ер ст ра ницы в ф и зи ч е ско й пам яти , е сл и о на нахо д и тсяв пам яти . Страни ч ная табл и ца д л я кажд о й про грам м ы ф о рми руе тся о пе раци о нно й си сте м о й в про це ссе распре д е л е ни япа м яти и пе ре рабаты в ае тся е ю кажд ы й раз, ко гд а в распре д е л е ни и пам яти про и схо д ят и зм е не ни я. Про це д ура о бращ е ни як пам яти со сто и т в то м , ч то но м е рв и ртуал ьно й страни цы и зв л е кае тся и з ад ре са (ри с. 12.5) и и спо л ьзуе тся д л я в х о д а в страни ч ную табл и цу, ко то раяуказы в ае т но м е рсо о тв е тств ующ е й ф и зи ч е ско й страни цы . Ре ги стр но м е ра Н о м е рв и ртуал ьно й про грам м ы страни цы

n

Страни ч ная табл и ца n-й про грам м ы

m

Н о м е рбайта k

Ви ртуал ьны й ад ре с

k

Ф и зи ч е ски й ад ре с

P(n,m)

Н о м е рф и зи ч е ско й страни цы и з страни ч но й табл и цы

P(n,m) Ри с.12.5

88 Э то т но м е р в м е сте с но м е ро м байта, в зяты м не по сре д ств е нно и з в и ртуал ьно го ад ре са, пре д став л яе т со бо й ф и зи ч е ски й ад ре с, по ко то ро м у про и сх о д и т о бращ е ни е к о пе рати в но й пам яти . Е сл и страни ч наятабл и ца указы в ае т на разм е щ е ни е тре буе мо й и нф о рм аци и в о в не ш не й пам яти , то о бращ е ни е к о пе рати в но й пам яти не м о же т со сто яться не ме д л е нно . Опе раци о нная си сте м а д о л жна о ргани зо в ать пе ре д ач у нужно й страни цы и з в не ш не й пам яти в о пе рати в ную. Д л я кажд о й и з про грам м , о брабаты в ае м ы х в м ул ьти про грам м но м ре жи м е , о ргани зуе тся св о я в и ртуал ьная пам ять и со зд ае тся св о я страни ч ная табл и ца, при э то м в се про грам м ы д е л ят м е жд у со бо й о д ну о бщ ую ф и зи ч е скую пам ять. Страни ч ны е табл и цы про грам м хранятсяв о пе рати в но й пам яти . Обращ е ни е к нужно й стро ке акти в но й страни ч но й табл и цы в о пе рати в но й пам яти про и схо д и т по а д ресу , ко то ры й о пре д е л яе тся но м е ро м акти в но й про грам м ы и но м е ро м в и ртуал ьно й страни цы (ри с. 12.4). Д л я уско ре ни япре о бразо в ани я ад ре со в м о же т и спо л ьзо в атьсяне бо л ьш ая св е рхо пе рати в ная пам ять, в ко то рую пе ре д ае тся и з о пе рати в но й пам яти страни ч наятабл и ца акти в но й про грам м ы . 12.6. Контрольны е в оп рос ы 1. В ч е м со сто и т про бл е м а управ л е ни я пам ятью Э ВМ , в ч е м о тл и ч и е э то й про бл е м ы д л я16-ти и 32-х (64-х) разряд ны х Э ВМ ? 2. В ч е м со сто и т ко нце пци я разд е л е ни я по няти й ф и зи ч е ско го ад ре сно го про странств а (ф и зи ч е ско й пам яти ) и л о ги ч е ско го (л о ги ч е ско й, в и ртуал ьно й пам яти )? 3. Како й м акси м а л ьны й о бъе м пам яти м о жно ад ре со в ать с по м о щ ью 16-ти разряд но го ад ре сно го сл о в а? 4. Каки м о бразо м в 16-ти разряд ны х Э ВМ о ргани зо в ана в о зм о жно сть ф о рм и ро в ани яад ре са д л ярабо ты с о пе рати в ны м запо м и нающ и м устро йств о м о бъе м о м 1 М байт (ско л ько разряд о в в ад ре се д л яэ то го тре буе тся)? 5. Каки м о бразо м о сущ е ств л яе тся о то браже ни е страни ц л о ги ч е ско го ад ре сно го про странств а про грам м ы по л ьзо в ате л я на страни цы ф и зи ч е ско й пам яти ?

89 6. Д л я ч е го и спо л ьзуются ре ги стры ад ре са страни ц (се гм е нтны е ре ги стры ) про це ссо ра? 7. Ч то тако е и д л яч е го и спо л ьзуютсястрани ч ны е табл и цы ? 8. Ч то тако е св о пи нг?

13. Соглас ов ание п роп ус кны х с п ос обнос тей п роце с с ора и п ам я ти Э В М 13.1. Рас с лоение п ам я ти. Кэш -п ам я ть Н е пре ры в ны й ро ст про и зв о д и те л ьно сти (ско ро сти рабо ты ) Э ВМ про яв л яе тся в пе рв ую о ч е ре д ь в по в ы ш е ни и ско ро сти про це ссо в в нутри Э ВМ . Э то т ро ст д о сти гае тся и спо л ьзо в ани е м но в ы х, бо л е е бы стро д е йств ующ и х э л е ктро нны х сх е м , а также спе ци ал ьны х арх и те ктурны х ре ш е ни й, напри м е р – ко нв е йе рно й и в е кто рно й о брабо тки д анны х . Бы стро д е йств и е о пе рати в но й пам яти также расте т. Од нако о но в се в ре м яо тстае т о т бы стро д е йств и яа ппаратурны х сре д ств про це ссо ра, в знач и те л ьно й сте пе ни по то м у, ч то о д но в ре м е нно про и схо д и т о пе ре жающ и й ро ст е е е м ко сти , ч то д е л ае т бо л е е труд ны м уме ньш е ни е в ре м е ни ци кл а рабо ты пам яти . Бе з со гл асо в ани я про пускны х спо со бно сте й про це ссо ра и пам яти не в о зм о жно в м аш и не о ргани зо в ать про и зв о д и те л ьно сть, со о тв е тств ующ ую бы стро д е йств и ю про це ссо ра. Пре о д о л е ть указанно е про ти в о ре ч и е и со гл асо в ать про пускны е спо со бно сти пам яти и про це ссо ра по м о гают спе ци ал ьны е структурны е ре ш е ни я. К онвейериза ция процед у р цик ла выполнения к ом а нд ы (рабо ч е го ци кл а м аш и ны ). В про сте йш е м сл уч ае э то ре ш е ни е в ы ражае тся в па ра ллельном в о в ре м е ни в ы по л не ни и о пе ра ци й в АЛ У и в ы бо рки и з пам яти сл е д ующ е й ко м анд ы . «Ра сслоение» опера т ивной па м ят и путе м м но го м о д ул ьно го по стро е ни яс « веерной» («ч е ре д ующ е йся») ад ре саци е й. См е жны е ад ре са и нф о рм аци о нны х е д и ни ц, со о тв е тств ую щ и е ш и ри не в ы бо рки (сл о в о , д в о йно е сл о в о и т. п.), разм е щ аются по разны м м о д ул ям . В э то м сл уч ае по в ы ш ае тся про пускная

90 спо со бно сть о пе рати в но й пам яти за сч е т пе ре кры ти я в о в ре м е ни о бращ е ни й к разны м м о д ул ям пам яти . Б у ф ериза ция па м ят и. Э то ре ш е ни е со сто и т в и спо л ьзо в ани и бу ф ерных па м ят ей не бо л ьш о й е м ко сти , сущ е ств е нно бо л е е бы стро д е йств ующ и х , ч е м о пе рати в ная пам ять, в кл юч е нны х м е жд у про це ссо ро м и о сно в но й о пе рати в но й пам ятью. Буф е рны е пам яти скры ты о т про грам м и ста в то м смы сл е , ч то о н не м о же т и х ад ре со в ать и м о же т д аже не знать о б и х сущ е ств о в а ни и . Т ако го ро д а запо м и наю щ и е устро йств а по л уч и л и назв ани е кэш-п ам ят ь (о т англ и йско го cache – тайни к). При о бращ е ни и про це ссо ра к о пе рати в но й пам яти д л ясч и ты в ани я в кэ ш пам ять пе ре д ае тся бл о к и нф о рм аци и , со д е ржащ и й нужно е сл о в о . При э то м про и схо д и т о пе ре жающ ая в ы бо рка, так как в ы со ка в е ро ятно сть, ч то бл и жайш и е о бращ е ни я буд ут про и схо д и ть к сл о в ам э то го же бл о ка, уже разм е щ е нно м в кэ ш -пам яти . Э то при в о д и т к знач и те л ьно м у ум е ньш е ни ю сре д не го в ре м е ни , затрач и в ае м о го на в ы бо рку д а нны х. Э ф ф е кти в но сть кэ ш -пам яти зав и си т о т е е е м ко сти , разм е ра бл о ка, со о тно ш е ни я в ре м е н сч и ты в ани я сл о в а и з кэ ш и бл о ка и з о пе рати в но й пам яти . Сл е д уе т о тм е ти ть, ч то ра сслоение па м ят и сущ е ств е нно ум е ньш ае т в ре м я сч и ты в ани я и з о пе рати в но й пам яти бл о ка д анны х , по зв о л яя при то м с зад е ржко й на о д и н такт сч и ты в ать группу сл о в и з яч е е к о пе рати в но й пам яти с по сл е д о в ате л ьны м и ад ре сам и . Обы ч но и спо л ьзуют д в а ти па кэ ш -пам яти . • Кэ ш с запо м и на ни е м но в о й и нф о рмаци и о д но в ре м е нно в кэ ш и в о пе рати в ную пам ять («скв о зно е запо м и нани е » и л и по -англ и йски storethrough), • Кэ ш с запо м и на ни е м но в о й и нф о рм а ци и то л ько в кэ ш -пам ять и ко пи ро в ани е м е е в о пе рати в ную пам ять то л ько при пе ре д ач е в д руги е устро йств а и л и при в ы те сне ни и и з кэ ш (store-in-cache). Кэ ш -пам ять яв л яе тся д о в о л ьно сл о жны м устро йств о м . Э то св язано с те м , ч то о на д о л жна со д е ржать сре д ств а, о пре д е л яющ и е , нахо д и тся л и в кэ ш пам яти бл о к д анны х со сл о в о м , ко то ро е запраш и в ае т про це ссо ри л и не т.

91 13.2. Контрольны е в оп рос ы 1. В ч е м со сто и т про бл е м а со гл асо в ани япро пускно й спо со бно сти про це ссо ра и пам яти ? 2. Ч то тако е и д л яч е го и спо л ьзуе тсярассл о е ни е памяти ? 3. Ч то тако е кэ ш -пам ять?

92

Л и те ра тура 1. Сто л л и нгс Ви л ьям . Структурная о ргани заци я и арх и те ктура ко м пьюте рны х си сте м , 5-е и зд .: Пе р. с англ . – М . : И зд . д о м «Ви л ьям с», 2002. – 896 с. 2. Т анне нбаум Э . Архи те ктура ко мпьюте ра. – СПб.: П и те р, 2002. – 704 с. 3. Арх и те ктура Э ВМ : Уч е бны е м ате ри ал ы д л я студ е нто в 1-го курса ф и зи ч е ско го ф акул ьте та и ф акул ьте та ко м пьюте рны х наук; Со ст.: А.П . Т о л сто бро в . – Во ро не ж: ВГ У, 2000. – № 496. – 94 с. 4. Арх и те ктура Э ВМ : Уч е бны е м ате ри ал ы к практи ч е ски м заняти ям д л я студ . 1 курса д /о ф и зи ч е ско го ф акул ьте та и ф акул ьте та ко м пьюте рны х наук / ВГУ , каф е д ра и нф о рм аци о нны х си сте м ; Со ст.: А. С. Ко в ал ь, А. В. Сы ч е в . – Во ро не ж: ВГУ , 2000. – № 112. – 84 с.

Д о п о л ни те л ьна я л и те ра тура 5. Каган Б.М . Э л е ктро нны е в ы ч и сл и те л ьны е м аш и ны и си сте м ы . – М .: Э не рго ато м и зд ат, 1991. – 590 с. 6. Ф ре нк Т .С. PDP-11: арх и те ктура и про грам м и ро в ани е : Пе р. с англ . – М .: Рад и о и св язь, 1986. – 371 с.

93 Со д е ржани е

1. При нци пы о ргани заци и Э ВМ с ф о н-не йм ано в ско й архи те ктуро й............. 4 1.1.Обо бщ е ннаяструктура Э ВМ ........................................................................ 4 1.2.При нци пы о ргани заци и Э ВМ ....................................................................... 5 1.3.Ко нтро л ьны е в о про сы .................................................................................... 6 2. Пре д став л е ни е и нф о рм аци и в Э ВМ . Си сте м ы сч и сл е ни яи ари ф ме ти ч е ски е о пе раци и над ч и сл ам и .................................................... 7 2.1.Ви д ы и нф о рм аци и ........................................................................................... 7 2.2.Вы бо рси сте м ы сч и сл е ни яд л япре д став л е ни яч и се л в Э ВМ .................. 8 2.3.Пре д став л е ни е в Э ВМ це л ы х д в о и ч ны х ч и се л бе з знака .......................10 2.4.Пре д став л е ни е в Э ВМ це л ы х ч и се л со знако м ........................................11 2.5.Осо бе нно сти в ы по л не ни яв Э ВМ сл о же ни яд в о и ч ны х ч и се л бе з знака и со знако м ...........................................................................................13 2.6.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................15 3. При нци пы по стро е ни яустро йств д л яо сущ е ств л е ни я ари ф ме ти ч е ски х и л о ги ч е ски х о пе раци й над д в о и ч ны м и ч и сл ам и ....17 3.1.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................21 4. Э л е м е нты пам яти Э ВМ ....................................................................................21 4.1.Т ри гге ры .........................................................................................................21 4.2.Органи заци язапо м и наю щ е го устро йств а с про и зв о л ьно й в ы бо рко й.........................................................................................................23 4.3.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................24 5. Базо в аяструктура в ы ч и сл и те л ьно й си сте м ы ...............................................24 5.1.Пам ять Э ВМ (о пе рати в но е запо м и наю щ е е устро йств о ) ........................25 5.2.Ц е нтрал ьны й про це ссо р...............................................................................27 5.3.Ш и ннаяо ргани заци яЭ ВМ ..........................................................................30 5.4.Вне ш ни е устро йств а .....................................................................................31 5.5.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................31 6. Упро щ е нны й ци кл в ы по л не ни яко м анд в Э ВМ ...........................................32 6.1.Ц и кл в ы по л не ни яко м анд ............................................................................32 6.2.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................33 7. Си сте ма ко м анд Э ВМ и ад ре саци яо пе ранд о в .............................................34 7.1.Т и пы ко м анд ..................................................................................................34 7.2.Спо со бы ад ре саци и о пе ранд о в ...................................................................37 7.3.Ре жи м ы ад ре саци и с по м о щ ью ре ги стро в о бщ е го назнач е ни я.............39 7.4.Ре жи м ы ад ре саци и со ссы л ко й на ре ги стр-сч е тч и к ко м анд ..................41 7.5.Сте к. Органи заци ясте ка в пам яти Э ВМ ...................................................43 7.6.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................47 8. Ко м анд ы бе зусл о в но й и усл о в но й пе ре д ач и управ л е ни яОш иб ка ! За кла дка не о пр е де л 8.1.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................50

94 9. По д про грам м ы . И спо л ьзо в ани е сте ка при в ы зо в е по д про грам м и в о зв рате и з ни х ............................................................................................50 9.1.Про бл е м ы ре ал и заци и по д про грам м .........................................................50 9.2.Ре ал и заци яв ы зо в а по д про грам м и в о зв рата в о сно в ную про грам м у.......................................................................................................52 9.3.Ко нтро л ьны е в о про сы ..................................................................................55 10. Осо бе нно сти RISC-архи те ктуры .....................................................................55 10.1. Э ВМ с расш и ре нны м и со кращ е нны м набо ро м ко м анд . ..................55 10.2. Ко нтро л ьны е в о про сы .............................................................................57 11. Органи заци яв в о д а-в ы в о д а. Обм е н и нф о рм аци е й Э ВМ с в не ш ни м и устро йств ам и ................................................................................................58 11.1. Вне ш ни е устро йств а ................................................................................58 11.2. Общ и е при нци пы о ргани заци и в в о д а-в ы в о д а.....................................59 11.3. Про грамм ны й ре жи м в в о д а-в ы в о д а по о про су го то в но сти в не ш не го устро йств а. ...................................................................................62 11.4. Про грамм но упра в л яе м ы й о бм е н и нф о рм аци е й в ре жи м е пре ры в ани япро грам мы ................................................................................64 11.5. Прям о й д о ступ к пам яти .........................................................................72 11.6. Буф е ры д анны х в си сте м ах в в о д а-в ы в о д а ...........................................74 11.7. Ко нтро л ьны е в о про сы .............................................................................75 12. Управ л е ни е пам ятью Э ВМ , расш и ре ни е ад ре сно го про странств а, д и нам и ч е ско е распре д е л е ни е пам яти ......................................................78 12.1. Про бл е м ы управ л е ни япам ятью и расш и ре ни яад ре сно го про странств а ..................................................................................................78 12.2. Ф и зи ч е ско е и в и ртуал ьно е ад ре сны е про странств а ...........................79 12.3. Расш и ре ни е ад ре суе м о го про странств а в 16-ти разряд ны х Э ВМ .................................................................................................................81 12.4. Страни ч наяо ргани заци япам яти ...........................................................83 12.5. Управ л е ни е пам ятью в м но го зад ач но м ре жи м е .................................85 12.6. Ко нтро л ьны е в о про сы .............................................................................88 13. Со гл асо в ани е про пускны х спо со бно сте й про це ссо ра и пам яти Э ВМ .....89 13.1. Рассл о е ни е пам яти . Кэ ш -пам ять ...........................................................89 13.2. Ко нтро л ьны е в о про сы .............................................................................91

95

Со став и те л ь Ре д акто р

канд и д ат те х ни ч е ски х наук, д о це нт Толст обровАлек са нд р П а влович Тихом ирова О .А.