8 как называется ячейка быстродействующей памяти расположенная внутри процессора

8 как называется ячейка быстродействующей памяти расположенная внутри процессора

3.3. Системы, расположенные на материнской плате

3.3.1. Оперативная память

Оперативная память (RAM — Random Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не “подзаряжать”, утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 2 32 . Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 2 32 = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 64-128 Мбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения — однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат имеют разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя. На рис. 3.5 показаны SIMM-модули.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM -модули — 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти — чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Типичное время доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей — 50-70 нс. Для современных DIMM-модулей оно составляет 7-10 нс.

Рис. 3.5. Микросхема SIMM-модулей

3.3.2. Процессор

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления, рис. 3.6. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

Рис. 3.6. Микросхема процессора Pentium

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд — CISC-процессорами (CISC – Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC – Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускались только CISC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания АМD приступила к выпуску процессоров семейства АМD-К6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру.

Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60, 66, 75, 90, 100, 133; несколько моделей процессоров Intel Pentium ММХ, модели Intel Pentium Рro, Intel Pentium II, Intel Се1егоп, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний АМD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу “сверху вниз”.

Принцип совместимости “сверху вниз” — это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор “понимает” все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 500 миллионов тактов в секунду (500 МГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы “сверхоперативная память”. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. “Удачные” обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

3.3.3. Микросхема ПЗУ и система ВIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего — ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют “зашитыми” — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

3.3.4. Энергонезависимая память СМ05

Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема “энергонезависимой памяти”, по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

3.3.5. Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

ISA. Историческим достижением компьютеров платформы IBM PC стало внедрение почти двадцать лет назад архитектуры, получившей статус промышленного стандарта ISA (Industry Standard Architecture). Она не только позволила связать все устройства системного блока между собой, но и обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность шины, выполненной по такой архитектуре, составляет до 5,5 Мбайт/с, но, несмотря на низкую пропускную способность, эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно “медленных” внешних устройств, например звуковых карт и модемов.

EISA. Расширением стандарта ISA стал стандарт EISA (Extended ISA), отличающийся увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим. После 2000 года выпуск материнских плат с разъемами ISA/EISA и устройств, подключаемых к ним, прекращается.

VLB. Название интерфейса переводится как локальная шина стандарта VESA (VESA Local Bus). Понятие “локальной шины” впервые появилось в конце 80-х годов. Оно связано тем, что при внедрении процессоров третьего и четвертого поколений (Intel 80386 и Intel 80486) частоты основной шины (в качестве основной использовалась шина ISA/EISA) стало недостаточно для обмена между процессором и оперативной памятью. Локальная шина, имеющая повышенную частоту, связала между собой процессор и память в обход основной шины. Впоследствии в эту шину “врезали” интерфейс для подключения видеоадаптера, который тоже требует повышенной пропускной способности, — так появился стандарт VLB, который позволил поднять тактовую частоту локальной шины до 50 МГц и обеспечил пиковую пропускную способность до 130 Мбайт/с.

Основным недостатком интерфейса VLB стало то, что предельная частота локальной шины и, соответственно, ее пропускная способность зависят от числа устройств, подключенных к шине. Так, например, при частоте 50 Мгц к шине может быть подключено только одно устройство (видеокарта). Для сравнения скажем, что при частоте 40 Мгц возможно подключение двух, а при частоте 33 Мгц — трех устройств.

PCI. Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect — стандарт подключения внешних компонентов) был введен в персональных компьютерах, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Для связи с основной шиной компьютера (ISA/EISA) используются специальные интерфейсные преобразователи — мосты PCI (PCI Bridge). В современных компьютерах функции моста PCI выполняют микросхемы микропроцессорного комплекта (чипсета).

Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последние версии интерфейса поддерживают частоту до 66 МГц и обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.

Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

Конфликты между устройствами за обладание одними и теми же ресурсами (номерами прерываний, адресами портов и каналами прямого доступа к памяти) вызывают массу проблем у пользователей при установке устройств, подключаемых к шине ISA. С появлением интерфейса PCI с оформлением стандарта plug-and-play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью автоматических программных средств — эти функции во многом были возложены на операционную систему.

FSB. Шина PCI, появившаяся в компьютерах на базе процессоров Intel Pentium как локальная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памятью, недолго оставалась в этом качестве. Сегодня она используется только как шина для подключения внешних устройств, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro используется специальная шина, получившая название Front Side Bus (FSB). Эта шина работает на очень высокой частоте 100-125 МГц. В настоящее время внедряются материнские платы с частотой шины FSB 133 МГц и ведутся разработки плат с частотой до 200 МГц. Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров — именно он и указывается в спецификации материнской платы. Пропускная способность шины FSB при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

AGP. Видеоадаптер — устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Как при внедрении локальной шины VLB, так и при внедрении локальной шины PCI видеоадаптер всегда был первым устройством, “врезаемым” в новую шину. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP (Advanced Graphic Port — усовершенствованный графический порт). Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или 66 МГц), но она имеет много более высокую пропускную способность — до 1066 Мбайт/с (в режиме четырехкратного умножения).

PCMCIA (Personal Computer Card International Association — стандарт между-народной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Этот стандарт определяет интерфейс подключения плоских карт памяти небольших размеров и используется в портативных персональных компьютерах.

USB (Universal Serial Bus —универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1,5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т. п., этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в “горячем режиме” (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

3.3.6. Функции микропроцессорного комплекта (чипсета)

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название “северный мост” и “южный мост”.

“Северный мост” управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

“Южный мост” называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA — PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.

Принципы построения компьютеров

Определения
Компьютер (computer) – это программируемое
электронное устройство для обработки числовых и
символьных данных.
• аналоговые компьютеры – складывают и умножают
аналоговые (непрерывные) сигналы
• цифровые компьютеры – работают с цифровыми
(дискретными) данными.
Hardware – аппаратное обеспечение, «железо».
Software – программное обеспечение, «софт».
1 01001

3.

Определения
Программа – это последовательность команд, которые
должен выполнить компьютер.
Команда – это описание операции (1…4 байта):
• код команды
• операнды – исходные данные (числа) или их адреса
• результат (куда записать).
Типы команд:
• безадресные (1 байт) inc AX – увеличить регистр AX на 1
регистр – ячейка быстродействующей памяти,
расположенная в процессоре
2
• одноадресные (2 байта) add AX, 2 AX AX + 2 add ax,
• двухадресные (3 байта)
add
X
2
X X+2
• трехадресные (4 байта)
add
X
2
Y
Y X+2

4.

Архитектурой компьютера называется
его описание на некотором общем уровне,
включающее описание пользовательских
возможностей программирования,
системы команд, системы адресации,
организации памяти и т.д. Архитектура
определяет принципы действия,
информационные связи и взаимное
соединение основных логических узлов
компьютера: процессора, оперативного
ЗУ, внешних ЗУ и периферийных
устройств. Общность архитектуры разных
компьютеров обеспечивает их
совместимость с точки зрения
пользователя.

5.

Архитектура ЭВМ
Вычислительные
и логические
возможности
Система
команд
Форматы
данных
быстродействие
Аппаратные
средства
Структура ЭВМ
Организация
памяти
Организация
ввода-вывода
Принципы
управления
Программное
обеспечение
Операционная
система
Языки программирования
Прикладное ПО

6.

• Структура компьютера — это
совокупность его функциональных
элементов и связей между ними.
Элементами могут быть самые различные
устройства — от основных логических
узлов компьютера до простейших схем.
Структура компьютера графически
представляется в виде структурных схем,
с помощью которых можно дать описание
компьютера на любом уровне
детализации.
• Наиболее распространены следующие
архитектурные решения.

7.

Архитектура компьютера
Архитектура – принципы действия и взаимосвязи основных
устройств компьютера (процессора, ОЗУ, внешних
устройств).
Принстонская архитектура (фон Неймана):
прямой доступ
к памяти
устройства
ввода
ОЗУ
(программа
и данные)
процессор
данные
управление
прямой доступ
к памяти
устройства
вывода
Гарвардская архитектура – программы и данные хранятся в
разных областях памяти.
скорость (одновременно читаем команду и данные)
нужно больше контактов у процессора

8.

При создании первых вычислительных машин в 1945 математик
Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера.
Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь
следующие устройства:
● Арифметическо-логическое устройство — для
непосредственного осуществления вычислений и логических
операций.
● Устройство управления — для организации процесса
управления программ.
● Запоминающее устройство (память) — для хранения программ
и информации.
● Внешние устройства — для ввода и вывода информации.
Обосновал использование двоичной системы представления
чисел (ранее все вычислительные машины хранили
обрабатываемые числа в десятичном виде),
продемонстрировал преимущества технической реализации,
удобство и простоту выполнения в ней арифметических и
логических операций.

9.

10.

Принципы фон Неймана
«Предварительный доклад о машине EDVAC» (1945)
1.
Принцип двоичного кодирования: вся
информация кодируется в двоичном виде.
2.
Принцип программного управления:
программа состоит из набора команд,
которые выполняются процессором
автоматически друг за другом в
определенной последовательности.
3.
Принцип однородности памяти:
программы и данные хранятся в одной и
той же памяти.
4.
Принцип адресности:
память состоит из пронумерованных ячеек;
процессору в любой момент времени доступна
любая ячейка.

11.

Выполнение программы
Счетчик команд (IP = Instruction Pointer) – регистр, в
котором хранится адрес следующей команды.
IP AB3D16
по адресу AB3D16
1.
Команда, расположенная по этому адресу, передается
в УУ. Если это не команда перехода, регистр IP
увеличивается на длину команды.
2.
УУ расшифровывает адреса операндов.
3.
Операнды загружаются в АЛУ.
4.
УУ дает команду АЛУ на выполнение операции.
5.
Результат записывается по нужному адресу.
6.
Шаги 1-5 повторяются до получения команды «стоп».

12.

• Подавляющее большинство компьютеров
в своих основных чертах соответствует
принципам фон Неймана, но схема
устройства современных компьютеров
несколько отличается от классической
схемы. В частности, арифметическологическое устройство и устройство
управления, как правило, объединены в
центральный процессор. Многие
быстродействующие компьютеры
осуществляют параллельную обработку
данных на нескольких процессорах.

13.

Архитектуры компьютеров
В) многомашинная
фон Неймана
(независимые задачи)
УУ
УУ
УУ
УУ
АЛУ
АЛУ
АЛУ
АЛУ
ОЗУ
ОЗУ
ОЗУ
ОЗУ
A) многопроцессорная
(части одной задачи,
по разным программам)
УУ
УУ
УУ
АЛУ
АЛУ
АЛУ
ОЗУ
С) параллельные процессоры
(части одной задачи,
по одной программе)
УУ
АЛУ
АЛУ
ОЗУ
АЛУ

14.

• Многопроцессорная архитектура.
Наличие в компьютере нескольких
процессоров означает, что параллельно
может быть организовано много потоков
данных и много потоков команд. Таким
образом, параллельно могут выполняться
несколько фрагментов одной задачи.
Структура такой машины, имеющей
общую оперативную память и несколько
процессоров, представлена на рисунке A.

15.

• Многомашинная вычислительная система.
Рис.В. Здесь несколько процессоров, входящих в
вычислительную систему, не имеют общей
оперативной памяти, а имеют каждый свою
(локальную). Каждый компьютер в
многомашинной системе имеет классическую
архитектуру, и такая система применяется
достаточно широко. Однако эффект от
применения такой вычислительной системы
может быть получен только при решении задач,
имеющих очень специальную структуру: она
должна разбиваться на столько слабо связанных
подзадач, сколько компьютеров в системе.
• Преимущество в быстродействии
многопроцессорных и многомашинных
вычислительных систем перед
однопроцессорными очевидно.

16.

• Архитектура с параллельными
процессорами. Здесь несколько АЛУ
работают под управлением одного УУ. Это
означает, что множество данных может
обрабатываться по одной программе — то
есть по одному потоку команд. Высокое
быстродействие такой архитектуры
можно получить только на задачах, в
которых одинаковые вычислительные
операции выполняются одновременно на
различных однотипных наборах данных.
Структура таких компьютеров
представлена на рисунке С.

17.

Персональный компьютер (ПК)
ПК – это компьютер, предназначенный для личного
использования (доступная цена, размеры,
характеристики).
1977 Apple-II
ЕС-1841
1981 IBM PC
(personal computer)
iMac (1999)
PowerMac G4
Cube (2000)

18. Принцип открытой архитектуры

Принцип открытой архитектуры – правила
построения компьютера, в соответствии с которыми
каждый новый блок должен быть совместим со
старым и легко устанавливаться в том же месте в
компьютере.
В компьютере столь же легко можно заменить старые
блоки на новые, где бы они ни располагались, в
результате чего работа компьютера не только не
нарушается, но и становится более
производительной.
Этот принцип позволяет не выбрасывать, а
модернизировать ранее купленный компьютер, легко
заменяя в нем устаревшие блоки на более
совершенные и удобные, а так же приобретать и
устанавливать новые блоки. Причем во всех
разъемы для их подключения являются
стандартными и не требуют никаких изменений в
самой конструкции компьютера.

19.

Принцип открытой архитектуры
• на материнской плате расположены только узлы,
которые обрабатывают информацию (процессор и
вспомогательные микросхемы, память)
• схемы, управляющие другими устройствами
(монитором и т.д.) – это отдельные платы, которые
вставляются в слоты расширения
• схема стыковки новых устройств с компьютером
общедоступна (стандарт)
• конкуренция, удешевление устройств
• производители могут изготавливать новые
совместимые устройства
• пользователь может собирать ПК «из кубиков»

20.

Взаимосвязь блоков ПК
контроллеры
память
процессор
видеокарта
сетевая
карта
контроллеры
дисководов
шины адреса, данных, управления
порты
клавиатура, мышь, модем, принтер, сканер
Шина – многожильная линия связи, доступ к которой
имеют несколько устройств.
Контроллер – электронная схема, управляющая
внешним устройством по сигналам процессора.

21. Модульный принцип

Модульный принцип позволяет потребителю самому
комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и
производить при необходимости ее модернизацию.
Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или
несколькими модулями – конструктивно и функционально
законченных электронных блоков в стандартном исполнении.
Организация структуры компьютера на модульной основе
аналогична строительству блочного дома. Основными
модулями компьютера являются память и процессор.
Процессор – это устройство управляющее работой всех блоков
компьютера. Действия процессора определяются командами
программы, хранящейся в памяти.
Благодаря использованию вышеназванного принципа, появляется
возможность создания большого разнообразия товаров из
одного набора основных компонентов. Из набора модулей
возможно создать большое разнообразие компьютеров
(сложных технических систем), отличающихся друг от друга
производительностью, назначением (домашний, офисный,
сервер приложений и т. п.), архитектурой, платформой.

22. Магистрально-модульный принцип

Модульная организация опирается на магистральный (шинный)
принцип обмена информацией между устройствами.
Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:
• 1. для работы с внешними устройствами используются те же
команды процессора, что и для работы с памятью.
• 2. подключение к магистрали дополнительных устройств не
требует изменений в уже существующих устройствах,
процессоре, памяти.
• 3. меняя состав модулей можно изменять мощность и
назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

23. Магистрально-модульное устройство компьютера

Процессор
Оперативная память
Обработка данных
Хранение данных и программ
Шина данных
Магистраль
Шина адреса
Шина управления
Устройства ввода
Устройства вывода
Ввод данных
Вывод данных
Долговременная
память
Сетевые
устройства
Хранение данных и программ
Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна
быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

24. Магистраль

Магистраль (системная шина) включает в себя:
1. Шину данных;
2. Шину адреса;
3. Шину управления.
Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и
электрических (токопроводящих) линий на системной плате.
К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также
периферийные устройства ввода, вывода и хранения
информации, которые обмениваются информацией на
машинном языке (последовательностями нулей и единиц в
форме электрических импульсов).

25.

Шина – совокупность
токопроводящих линий, по
которым обмениваются
информацией устройства
компьютера.

26.

Назначение системной шины:
Это главная магистраль, по которой происходит
обмен информацией между процессором и
памятью и их связь с периферийными
устройствами.
Отличительным признаком шины от других
систем соединения является наличие трех
групп линий, по каждой из которых
передается свой вид информации: шины
данных, шины адреса, шины управления.

27. Шина данных

По этой шине передаются данные между различными
устройствами. Например, считанные из ОЗУ данные
могут быть переданы процессору для обработки, а
затем могут быть отправлены обратно для хранения.
Таким образом, данные по шине данных могут
передаваться от устройства к устройству в любом
направлении.
Разрядность шины данных определяется процессором,
т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут
обрабатываться процессором одновременно.
Разрядность процессоров постоянно увеличивается
по мере развития компьютерной техники.

28. Шина адреса

Выбор устройства или ячейки памяти,
куда посылаются данные или откуда
считываются данные по шине данных,
производит процессор. Каждое
устройство или ячейка памяти имеет
свой адрес. Адрес передается по
адресной шине от процессора к памяти
или устройствам.
Разрядность шины адреса определяет
объем адресуемой памяти.

29.

Разрядность адресной шины определяет
доступное адресное пространство, т.е.
количество однобайтовых ячеек оперативной
памяти, которые могут иметь уникальные
адреса.
Если разрядность адресной шины равна n, то
максимальный адрес, который может быть по
ней передан – 2n. Очевидно, количество
байтов оперативной памяти не должно
превышать 2n, иначе байты с большими
адресами не будут использоваться.

30. Шина управления

По шине управления передаются
сигналы, определяющие характер
обмена информацией по магистрали.
Сигналы показывают, какую операцию –
считывание или запись информации
нужно производить, синхронизируют
обмен данными и т.д.

31. Основные пользовательские характеристики:

☻Разрядность – количество бит
информации, параллельно
«проходящих» через шину;
☻Пропускная способность –
количество бит информации,
передаваемых по шине за секунду.

32.

• Для расширения возможностей ПК и повышения
функциональных характеристик микропроцессора
дополнительно может поставляться математический
сопроцессор, служащий для расширения набора
команд МП. Например, математический сопроцессор
IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП
для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в
локальных сетях (LAN-процессор) расширяет
функции МП в локальных сетях.
• Характеристики процессора:
• рабочее напряжение (5 В у ранних моделей, менее
3 В в настоящее время )
• тактовая частота — количество операций,
выполняемых в секунду, производительность (100 –
133 МГц)
• разрядность процессора — максимальное
количество разрядов двоичного числа, над которыми
одновременно может выполняться машинная
операция (за один такт)

33. Система команд ЭВМ (классификация по функциональному назначению)

1.
Команды передачи данных
— команды передачи кодов между регистрами внутри
процессора,
— из регистров процессора в память,
— из памяти в регистры процессора,
— из одних ячеек памяти в другие,
— передачи данных между процессором и портами
внешних устройств;
команды работы со стеком.

34.

2) Команды обработки данных
Данная группа команд подразделяется на:
— Арифметические (сложит, вычесть, умножить..);
— Логические ( операции И, ИЛИ, НЕ…);
— Команды сдвига
Команды этого типа могут иметь один или два
операнда. Операнды могут храниться в регистрах
центрального процессора, в памяти или в
специализированном регистре. Они формируют
признаки результатов: перенос из старшего разряда,
переполнение, нулевой результат,…

35.

3. Команды передачи управления
Используются для изменения естественного порядка
следования команд организации циклических
участков в программах.
— команда безусловного перехода JMP загружает адрес перехода, указанный в команде, в
программный счетчик.
— команды условного перехода используются после
команд, изменяющих состояние флагового регистра

36.

4. Команды для работы с подпрограммами. Стеки
Адрес возврата – адрес команды, на которую
управление передается после окончания работы
подпрограммы.
Для организации подпрограмм используется аппаратно
поддерживаемую структуру данных стек ( последним
вошел – первым вышел)
Указатель стека хранит адрес ячейки памяти,
содержащей последнее помещенное в стек
значение.
Для сохранения адреса возврата в стек используются
команды вызова подпрограмм CALL.
Для возврата из подпрограммы в основную программу
– команды возврата RETURN.

37.

5. Прочие команды (дополнительные или
специальные)
Команды остановки центрального процессора,
сброса внешних устройств,
установка или сброс отдельных признаков.

Как называется ячейка быстродействующей памяти, расположенная внутри процессора?

Как называется ячейка быстродействующей
памяти, расположенная внутри процессора?

Лучший ответ

Остальные ответы

кэш память

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Архитектура системы Архитектура набора команд Распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями. — презентация

Презентация на тему: » Архитектура системы Архитектура набора команд Распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями.» — Транскрипт:

1 Архитектура системы Архитектура набора команд Распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями

2 Более строгое определение понятие АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМ, по-видимому, приведено у Э.А.Якубайтиса [Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, с., ил.]: — «АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ является емким понятием, включающем три важнейших вида взаимосвязанных структур: ФИЗИЧЕСКУЮ, ЛОГИЧЕСКУЮ и ПРОГРАММНУЮ. Кроме того, анализируя другие аспекты архитектуры, часто рассматривают структуры административного управления, обслуживания и ремонта. Каждая из этих структур определяется набором элементов и характером их взаимосвязи. Связь структур друг с другом образует АРХИТЕКТУРУ рассматриваемой СИСТЕМЫ. Элементами ФИЗИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ являются технические объекты. В зависимости от того, какие задачи решаются, этими объектами могут быть полупроводниковые кристаллы, части вычислительных машин, а также комплексы, составленные из последних. Элементами ЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ являются функции, определяющие основные операции. Очень важной характеристикой архитектуры системы является также ее ПРОГРАММНАЯ СТРУКТУРА. Эту структуру образуют взаимосвязанные программы: программы обработки информации, и др. Таким образом, АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ (вычислительной сети, терминального комплекса, вычислительной машины, полупроводникового кристалла) является концепция взаимосвязи большого числа различного типа элементов. Она в основном характеризуется переплетением ФИЗИЧЕСКОЙ, ЛОГИЧЕСКОЙ И ПРОГРАММНОЙ СТРУКТУР этой системы».

6 Определяем интерфейсы вычислительной системы пользователь системный программист системный разработчик разработчик интегральных схем

7 4 уровень 3 уровень 2 уровень 1 уровень n команд для интерпретации k cекунд

10 Устройство компьютера — шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация; — шина управления, регулирующая этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода). В современных ПК для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, называемая шиной. Шина состоит из трех частей: — шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

11 Регистр – ячейка быстродействующей оперативной памяти, расположенная внутри процессора. Процессор – микросхема, которая обрабатывает информацию и управляет всеми устройствами компьютера.

12 12 Архитектура компьютера Архитектура – принципы действия и взаимосвязи основных устройств компьютера (процессора, ОЗУ, внешних устройств). Принстонская архитектура (фон Неймана): процессор ОЗУ (программа и данные) устройства вывода устройства ввода данные управление прямой доступ к памяти Гарвардская архитектура – программы и данные хранятся в разных областях памяти. прямой доступ к памяти скорость (одновременно читаем команду и данные) нужно больше контактов у процессора

13 13 Архитектуры компьютеров фон Неймана многомашинная (независимые задачи) ОЗУ АЛУ УУ ОЗУ АЛУ УУ ОЗУ АЛУ УУ ОЗУ АЛУ УУ многопроцессорная (части одной задачи, по разным программам) АЛУ УУ ОЗУ АЛУ УУ АЛУ УУ АЛУ ОЗУ АЛУ УУ АЛУ параллельные процессоры (части одной задачи, по одной программе)

14 adding the contents of memory locations A and B The CPU Consists of: ALU (Arithmetic and Logic Unit), The Registers (or Index Registers) — Local storage used as a scratchpad for temporary storage during calculations The Control Unit

15 Регистры – сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления.процессора Регистры подразделяют на: Регистры общего назначения (для арифметических и логических операций): 1)Арифметические регистры 2)Индексные регистры 3)Сегментные регистры Регистры управления (для управления порядком исполнения программы) Регистры состояния (отображение состояния процессора) Регистры специального назначения (векторные регистры, регистры MMX/SSE) Например: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP – название 32-битныx регистров общего назначения на платформе x86 AX, BX, CX, DX 16-битные AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL 8-битные (половинки 16-ти битных регистров) например, AH — high AX — старшая половинка 8 бит AL — low AX — младшая половинка 8 бит IP, SP – (instruction pointer, stack pointer) – регистры счетчика команд и указатель стека Регистр флаговРегистр флагов EFLAGS содержит текущее состояние процессора Flags (ZF, CF) – флаг нуля, флаг переноса и т.п. MM0, MM1 – регистры MMX

16 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures The Arithmetic and Logic Unit (ALU) The ALU implements a variety of operations For example ADD SUB NOT OR The list of operations the ALU can perform is referred to as the Instruction Set Different CPUs implement different Instruction Sets Программа – это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер. Команда – это описание операции: код операции операнды – исходные данные (числа) или их адреса результат (куда записать).

17 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures Recall Computers use the Fetch Execute Cycle to execute instructions The Fetch-Execute Cycle At a generic level, computers use a Fetch-Execute Cycle 1.Use the Program Counter, (PC) to Fetch the Next Instruction to be Executed, from Memory 2.Decode the Opcode 3.Are operands required? If so, copy Operands from Main Memory 4.Execute the Instruction 5.5 Return result to its memory location, if required 6.Update PC 7.Go to Step 1

18 18 Выполнение программы Счетчик команд (IP = Instruction Pointer) – регистр, в котором хранится адрес следующей команды. IP 1.Команда, расположенная по этому адресу, передается в УУ. Если это не команда перехода, регистр IP увеличивается на длину команды. 2.УУ расшифровывает адреса операндов. 3.Операнды загружаются в АЛУ. 4.УУ дает команду АЛУ на выполнение операции. 5.Результат записывается по нужному адресу. 6.Шаги 1-5 повторяются до получения команды «стоп». AB3D 16 по адресу AB3D 16

19 19 Шаги выполнения команды Считывание следующей команды из памяти в регистр команд Изменение указателя на следующую команду Дешифровка команды Если команда использует данные из памяти, загрузка этих данных, иначе обращаемся в регистр Запуск команды Запуск следующей команды

20 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures PC = Program Counter (stores the address of the next instruction to be executed) IR = Instruction Register (stores the instruction to be executed) AC = Accumulator (General Purpose Register) Memory is 16 bits long. Instructions are Operation, Operand 1 = Local memory address to Accumulator 5 = Add value in memory address to Accumulator, 2 = Store value in accumulator to memory address

21 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures A simple example of how this is implemented

22 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures

23 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures

24 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures

25 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures

26 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures

27 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures The list of instructions that a CPU can execute are called the Instruction Set Obviously, CPUs implement different types of Instructions Move (Load and store) – Memory to memory; memory to CPU – register to register Arithmetic and Logic – Add; shift; Compare Branch – change in direction of program flow I/O Miscellaneous – Flag; Wait; Start; Stop

28 Команда – минимальное действие, которое может совершить процессор над данными в адресуемой памяти. Команда состоит из кода операции и набора операндов. Различают одноадресные команды (один операнд), двух адресные команды и трехадресные команды. Различают: Команды передачи данных (например, MOV ) Арифметические операции ( ADD, SUB ) Логические операции ( OR, AND ) Операции сдвига ( SHL, SHR ) Операции ввода-вывода ( IN, OUT ) Команды управления ( JMP, CALL ) Команды ветвления и цикла ( JC, JZ, REP ) Специальные команды ( EMMS, MOVQ, управление кэшем и т.п.)

29 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures In general, a computer instruction consists of a function (Opcode) and one or more operands. For example, ADD x, y Add is the function or opcode; x and y are both operand addresses. Operand addresses may refer to memory or registers. We will look at how earlier machines with much smaller memories and CPUs implemented Move and Arithmetic operations.

30 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures Different Instruction Sets are classified by size of their instruction 3 address instructions (ADD A,B,C) 2 address instructions (ADD A,B) 1 address instructions (ADD A) Consider the difference in coding the Expression A=(B x C) + D

31 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures When using three Address instruction, A = (B X C) + D Mult B,C,A//A = B x C ADD D,A,A//A = A + D

32 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures Two Address Instruction Load B,A\\ A = B Mult C,A\\ A = A x C Add D,A\\A = A + D

33 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures When using one address instruction, a special register on the CPU called the Accumulator is used. The Accumulator implicitly stores the results of operations Load B\\ Acc = B Mult C\\ Acc = Acc X C Add D\\ Acc = Acc + D Store A\\ A = Acc

34 Computer Organization 1 Instruction Set Architectures A further distinction between processors – and therefore instruction sets — is to do with the principle of the number of instructions in the instruction set. We can classify processors as being whether they are CISC or RISC. – Complex Instruction Set Computer – Reduced Instruction Set Computer The RISC machine has fewer instructions and a restricted access to the Memory – allows only Load and Store operations – and does nearly everything via Register operations. The CISC machine allows a wide range of memory operations. For example, Mult codes which could operate on both memory and register operands

35 35 Системы команд Существует два подхода к конструированию процессоров. Первый состоит в том, чтобы придумать как можно больше разных команд и предусмотреть как можно больше разных режимов адресации. Процессоры такого типа называются CISC-процессорами, от слов Сomplex Instruction Set Computers. Это, в частности, Intel 80×86 и Motorola Противоположный подход состоит в том, чтобы реализовать лишь минимальное множество команд и режимов адресации, процессоры такого типа называются RISC-процессорами, от слов Reduced Instruction Set Computers. Примеры RISC-процессоров: DEC Alpha, Power PC, Intel Itanium. Казалось бы, CISC-процессоры должны иметь преимущество перед RISC-процессорами, но на самом деле все обстоит строго наоборот. Дело в том, что простота набора команд процессора облегчает его конструирование, в результате чего удается достичь следующих целей:

36 все команды выполняются исключительно быстро, причем за одинаковое время, т.е. за фиксированное число тактов работы процессора; значительно поднимается тактовая частота процессора; намного увеличивается количество регистров процессора и объем кэш-памяти; удается добиться ортогональности режимов адресации, набора команд и набора регистров. Это означает, что нет каких-либо выделенных регистров или режимов адресации: в любых (или почти любых) командах можно использовать произвольные регистры и режимы адресации независимо друг от друга. Следует отметить, что к памяти могут обращаться лишь команды загрузки слова из памяти в регистр и записи из регистра в память, а все арифметические команды работают только с регистрами; простота команд позволяет эффективно организовать их выпол- нение в конвейере (pipeline), что значительно ускоряет работу программы.