Арифметические основы ЭВМ. Типы данных, представление, перевод чисел коды чисел -пряиой обратный дополнительный

Классификация элементов и узлов ЭВМ

Фон-неймановская архитектура

Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ содержит:

§ память

§ устройство управления

§ арифметико-логическое устройство

§ устройство ввода/вывода.

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода.

Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода.

Порт – это аппаратура сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им.

Совокупность портов ввода и вывода - называют устройством ввода/вывода (УВВ) или модулем ввода/вывода (МВВ).

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память для длительного хранения.

Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП). Память организована так:

Каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке, которая идентифицируется адресом. Две соседние ячейки имеют следующие по порядку адреса.

Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти (ОП) может производиться в произвольной последовательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом.

ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), которые обеспечивают считывание и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость – при отключении электропитания хранимая информация теряется.

Для энергонезависимости памяти в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Информация из ПЗУ может только считываться.

Размер ячейки ОП обычно принимается равным 8 двоичным разрядам – байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в соседних ячейках с последующими адресами. Например, 32-разрядное число – 200, 201, 202 и 203 адреса. За адрес числа принимают адрес его

младшего байта – метод «остроконечников» (адрес числа – 200); характерен для микропроцессоров фирмы Intel, мини-ЭВМ фирмы DEC.

старшего байта – метод «тупоконечников»; характерен для микропроцессоров фирмы Motorola универсальных ЭВМ фирмы IBM.

В принципе выбор адресации существенен лишь при пересылке данных между ВМ с различными формами адресации или при манипуляции с отдельными байтами числа. В большинстве ВМ предусмотрены специальные инструкции для перехода от одного способа к другому.

Для долговременного хранения больших программ в ВМ обычно имеется дополнительная память, известная как вторичная. Она энергонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков.

Информация хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов. Согласно стандарту ISO

Файл – это идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций.

УУ организует автоматическое выполнение программ и обеспечивает функционирование ВМ как единой системы.

УУ ВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой информация может подвергаться определенным видам обработки. Управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного сигнала управления (СУ) в нужной временной последовательности. Цепи СУ на рисунке показаны пунктирными линиями.

Основная функция УУ – формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой и дальнейшее их исполнение. Формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

АЛУ – обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух переменных, в результате которых формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям и операциям сдвига. Также формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в результате его получения (равенство нулю, знак, четность, переполнение). Флаги могут анализироваться УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое устройство – ЦП или процессор. В процессор также входит набор регистров общего назначения (РОН) – для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

Полный текст качаем тут

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ..

1- 1946-1958 - Эл.лампа - Перфокарта, Перфолента

Большие 10³-10⁴

2 1958-1964 - Транзистор - Магнитная Лента - Значительно меньше - 10⁴-10⁶

3. 1964-1972 - ИС – Диск - Мини-ЭВМ 10⁵-10⁷

4. 1972 - настоящее время - БИС - Гибкий и лазерный диск - микроЭВМ - 10⁶-10⁸

Арифметические основы ЭВМ. Типы данных, представление, перевод чисел коды чисел -пряиой обратный дополнительный

Прямой код— способ представления двоичных чисел с фиксированной запятой в компьютерной арифметике. Главным образом используется для записи положительных чисел.

При записи числа в прямом коде старший разряд является знаковым разрядом. Если его значение равно 0 — то число положительное, если 1 — то отрицательное. В остальных разрядах (которые называются цифровыми разрядами) записывается двоичное представление модуля числа.

Дополнительный код (англ. two’s complement, иногда twos-complement) — наиболее распространённый способ представления отрицательных целых чисел в компьютерах. Он позволяет заменить операцию вычитания на операцию сложения и сделать операции сложения и вычитания одинаковыми для знаковых и беззнаковых чисел, чем упрощает архитектуру ЭВМ. Дополнительный код отрицательного числа можно получить инвертированием модуля двоичного числа (первое дополнение) и прибавлением к инверсии единицы (второе дополнение). Либо вычитанием числа из нуля.

Представление числа в дополнительном коде

При записи числа в дополнительном коде старший разряд является знаковым. Если его значение равно 0, то в остальных разрядах записано положительное двоичное число, совпадающее с прямым кодом. Если же знаковый разряд равен 1, то в остальных разрядах записано отрицательное двоичное число, преобразованное в дополнительный код. Для получения значения, которое противоположно по знаку, все разряды, включая знаковый, инвертируются, а затем к результату добавляется единица.

Обратный n-разрядный двоичный код положительного целого числа состоит из одноразрядного кода знака (двоичной цифры 0), за которым следует n − 1-разрядное двоичное представление модуля числа (обратный код положительного числа совпадает с прямым кодом).

 

Обратный код — метод вычислительной математики, позволяющий вычесть одно число из другого, используя только операцию сложения над натуральными числами. Ранее метод использовался в механических калькуляторах (арифмометрах). В настоящее время используется в основном в современных компьютерах.

Пример. Двоичное представление числа 5 есть 101. Обратный 10-разрядный двоичный код числа +5 есть 0000000101.

Обратный n-разрядный двоичный код отрицательного целого числа состоит из одноразрядного кода знака (двоичной цифры 1), за которым следует n − 1-разрядное двоичное число, представляющее собой инвертированное n − 1-разрядное представление модуля числа.

Пример. Двоичное представление числа 5 есть 101, его 9-разрядное двоичное представление — 000000101. Обратный 10-разрядный двоичный код числа −5 есть 1111111010.

Имеются два обратных кода числа 0: «положительный нуль» 0000000000 и «отрицательный нуль» 1111111111 (приведены 10-разрядные обратные коды).

n-разрядный обратный код позволяет представить числа от − 2n − 1 + 1 до + 2n − 1 − 1.

3.Виды памяти и внешние устройства-регистры, ОЗУ, ПЗУ, страничная и виртуальная память

Операти́вная па́мять (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кэш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Осн виды памяти SRAM (Static RAM) ОЗУ, собранное на триггерах,

DRAM (Dynamic RAM) Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

По типу исполнения

Массив данных совмещён с устройством выборки (считывающим устройством), в этом случае массив данных называется прошивка:

микросхема ПЗУ;

Один из внутренних ресурсов однокристальной микроЭВМ (микроконтроллера), как правило FlashROM.

Массив данных существует самостоятельно:

Компакт-диск;

перфокарта;

перфолента;

монтажные «1» и монтажные «0».

По разновидностям микросхем ПЗУ

По технологии изготовления кристалла:

ROM — (англ. Read-Only Memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.

PROM — (англ. Programmable Read-Only Memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.

EPROM — (англ. Erasable Programmable Read-Only Memory, перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ)).

 

EEPROM — (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. Flash Memory).

ПЗУ на магнитных доменах, например К1602РЦ5, имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей

NVRAM, Non-volatile memory — «неразрушающаяся» память, строго говоря, не является ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, совмещённое с первичным источником электропитания. В СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы, выпустившей их на рынок. В NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена.

 

Виртуа́льная па́мять — технология, которая была разработана с целью увеличения общего объема памяти, организации множества адресных пространств памяти, их защиты и автоматизации процесса перемещения машинного кода и данных между основной памятью компьютера и вторичным хранилищем.

Страничная организация виртуальной памяти

В большинстве современных операционных систем виртуальная память организуется с помощью страничной адресации. Оперативная память делится на страницы: области памяти фиксированной длины (например, 4096 байт), которые являются минимальной единицей выделяемой памяти (то есть даже запрос на 1 байт от приложения приведёт к выделению ему страницы памяти). Процесс обращается к памяти с помощью адреса виртуальной памяти, который содержит в себе номер страницы и смещение внутри страницы. Операционная система преобразует виртуальный адрес в физический, при необходимости подгружая страницу с жёсткого диска в оперативную память. При запросе на выделение памяти операционная система может «сбросить» на жёсткий диск страницы, к которым давно не было обращений. Критические данные (например, код запущенных и работающих программ, код и память ядра системы) обычно находятся в оперативной памяти (исключения существуют, однако они не касаются той части, которая отвечает за использование файла подкачки).

Сегментная организация виртуальной памяти

Основная статья: Сегментная адресация памяти

 

Механизм организации виртуальной памяти, при котором виртуальное пространство делится на части произвольного размера — сегменты. Этот механизм позволяет, к примеру, разбить данные процесса на логические блоки.[1] Для каждого сегмента, как и для страницы, могут быть назначены права доступа к нему пользователя и его процессов. При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти

Ну и свопинг…

4. Процессор-УУ,СЧАК, машинная логика, набор операций адресность

Форматы команд

Алгоритм, написанный пользователем программы, в конечном счете реализуется в виде машинных команд. Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага. В ходе команды для сведений о типе операции, адресной информации о нахождении обрабатываемых данных, а также для информации о месте хранения результатов выделяются определенные разряды (поля).

Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в её кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.

Главным элементом кода команды является код операции (КОП), что определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата. В остальных разрядах размещаются А1 и А2 v адреса операндов. А3 - адрес результата.

Распределение полей в формате команды может изменяться при смене способа адресации. Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на:безадресные

одно-, двух-, трехадресные

Длина кода команды измеряется в машинных словах. Чтобы получить возможность работать с минимальным числом адресных полей, результат, к примеру, можно размещать по месту хранения одного из операндов. Либо предварительно размещают один или несколько операндов в специально выделенных регистрах процессора.

Множество реализуемых машинных действий образует её систему команд. Система команд часто определяет области и эффективность применения ЭВМ. Состав и число команд должны быть ориентированы на стандартный набор операций, используемых пользователем для решения своих задач.

По функциональному назначению в системе команд ЭВМ различают следующие группы:команды передачи данных (обмен входами между регистрами процессора, процессора и оперативной памятью, процессора и периферийными установками).

Команды обработки данных (команды сложения, умножения, сдвига, сравнения-).

Команды передачи управления (команды безусловного и условного перехода).

Команды дополнительные (типа RESET, TEST,-).

Группа команд передачи управления обеспечивает принудительное изменение порядка выполнения команд в программе.

Оттранслированные команды записываются в соседние ячейки памяти в порядке их следования в программе. При естественном порядке выполнения команд в программе, адрес каждой следующей команды определяется по содержимому специального счетчика команд, который входит в состав процессора. Содержимое этого счетчика автоматически наращивается на 1 при выполнении очередной команды. При организации ветвления цикла или для перехода на подпрограмму в счетчик в счетчик команд принудительно записывается адрес перехода, указанный в ходе команды.

Большинство алгоритмов может быть реализовано небольшим базовым набором команд. Вместе с тем система команд должна быть полной, т.е. содержать все команды, которые необходимы для интерпретации алгоритма в машинных кодах. ЭВМ общего назначения имеет универсальный набор команд и применяется в основном для решения тривиальных (стандартных) задач.

Существуют 2 различных принципа поисков операндов в памяти: ассоциативный и адресный.

Ассоциативный поиск (поиск по содержанию запоминающей ячейки) предполагает просмотр содержимого всех ячеек памяти для выявления кода, содержащего заданный командой ассоциативный признак.

Адресный поиск предполагает, что операнд находится по адресу, указанному в адресном поле команд.

Исполнительным адресом операнда называется двоичный код номера ячейки памяти, по которому будет записан или считан оператором.

Адресным кодом команды называется двоичный код в адресном поле команды, с помощью которого необходимо сформировать исполнительный адрес операнда. В ЭВМ адресный код и исполнительный адрес не совпадают, поэтому способ адресации можно определить, как способ формирования исполнительного адреса по адресному коду команды.

Способы адресации классифицируют:

по наличию адресной информации в команде (явная и неявная адресация).

по кратности обращения в оперативную память.

по способу формирования адресов ячеек памяти.

При явной адресации операнда в команде есть поле адреса этого операнда.

При неявной v адресное поле в команде отсутствует, а адрес операнда подразумевается кодом операции. Например, из команды может быть исключен адрес приемника адресата, при этом подразумевается, что результат записывается на месте второго операнда.

По кратности обращения в оперативную память различают:

непосредственную адресацию (direct addressing)

прямую адресацию (immediate addressing)

косвенную адресацию (indirect addressing)