Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое архитектура персонального компьютера, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое архитектура персонального компьютера , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ.
Аннотация: Аннотация. Рассматривается обобщенная структура персональной ЭВМ, реализованной по магистральному принципу, структура и основные блоки 16-разрядного микропроцессора I8086, представление цифровой и символьной информации в ЭВМ, организация памяти и формирование физического адреса в сегментированном адресном пространстве.
В настоящее время персональные ЭВМ выпускаются миллионными тиражами с большим разнообразием архитектур. Однако наибольшее распространение получили компьютеры, построенные на базе микропроцессоров фирмы Intel либо микропроцессоров с аналогичной архитектурой, выпускаемых другими фирмами. Поэтому вопросы, связанные с организацией современных ЭВМ, будем рассматривать на примере именно этой архитектуры.
Микропроцессоры фирмы Intel в ходе своего развития к настоящему времени прошли ряд этапов, которые с определенным приближением можно характеризовать разрядностью микропроцессора. Первым в мире микропроцессором был выпущенный в 1971 году 4-разрядныймикропроцессор Intel 4004. Следующим шагом стало появление ряда 8-разрядных микропроцессоров, наиболее характерным представителем которых стал нашедший чрезвычайно широкое применение Intel 8080, архитектурный аналог которого выпускался в нашей стране в составе микропроцессорного комплекта К580. Разработанный затем 16-разрядный микропроцессор Intel-8086(отечественный аналог – микропроцессор К1810ВМ80 ) лег в основу первых персональных ЭВМ. Его архитектура, получившая обозначениеx86, стала де факто стандартом на длительный период последующего развития этого направления вычислительной техники.Микропроцессор Intel 286 представлял собой некоторый переходный этап к архитектуре 32-разрядных микропроцессоров IA-32 (Intel Architеcture-32 ), которая с определенными модификациями развивается, начиная с выпущенного в 1985 году микропроцессораIntel 386. Появление в 2001 году микропроцессора Itanium ознаменовало начало периода 64-разрядных микропроцессоров.
Целью данного пособия является изучение базовых понятий архитектуры ЭВМ. Поэтому рассмотрим ее на примере компьютера, имеющего в своей основе микропроцессор с архитектурой x86. В тех вопросах, где это необходимо (аппаратные средства защиты информации, организация виртуальной памяти и т.д.), изложение материала будет базироваться на компьютерах, имеющих в своем составемикропроцессоры с архитектурой IA-32.
Персональная ЭВМ типа IBM PC (рис. 14.1) включает в себя микропроцессор ( МП ), оперативную память и устройства ввода-вывода (УВВ), объединенные между собой системной шиной.
Микропроцессор предназначен для выполнения собственно арифметических и логических операций и управления взаимодействием блоков компьютера. Оперативная память хранит операнды и программу во время ее выполнения. Устройства ввода-вывода обеспечивают обмен информацией между ядром компьютера ( МП и ОП ) и средствами ввода и отображения данных. Сюда относятся мониторы, печатающие устройства, графопостроители, жесткие и гибкие магнитные диски и так далее.
Компьютер строится по магистрально-модульному принципу, при котором все блоки компьютера связываются между собой системной шиной, предназначенной для обмена данными, адресной и управляющей информацией между составными частями ЭВМ. Как правило, при такой организации в любой момент может быть установлена связь только между двумя модулями ЭВМ. Системная шина определяет общий порядок обмена между любыми блоками компьютера, а также максимальное количество используемых устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса ( ША ), шину данных ( ШД ) и шину управления ( ШУ ), содержащую набор линий, по которым передаются управляющие сигналы между блоками компьютера. Специфика каждого конкретного блока учитывается особыми управляющими устройствами – контроллерами, входящими в состав этих блоков, например, работой жесткого диска управляет контроллер жесткого диска, используя информацию, поступающую к нему от микропроцессора по системной магистрали.
Структура 16-разрядного микропроцессора I8086 представлена на рис. 14.2 [ 8 ] .
В состав микропроцессора входят:
ZF – флаг нуля: равен 1 при получении нулевого результата,
SF – флаг знака: устанавливается равным старшему биту результата,
CF – флаг переноса: фиксирует факт переноса из старшего бита в арифметических операциях,
OF – флаг переполнения: устанавливается в 1 при получении результата вне допустимого диапазона чисел,
PF – флаг паритета: устанавливается в 1, если младшие 8 бит результата операции содержат четное число единиц;
к флагам управления относятся
IF – флаг разрешения прерывания: когда флаг установлен в 1, процессор распознает маскируемые прерывания, что позволяетмикропроцессору реагировать на особые ситуации, возникающие в работе внешних устройств; если значение флага равно нулю, то эти прерывания игнорируются,
DF – флаг направления, применяется в командах обработки последовательности байт в памяти: если флаг равен 0, последовательность обрабатывается с элемента, имеющего наименьший адрес; если флаг установлен в 1, последовательность обрабатывается от старшего адреса к младшему,
TF – флаг трассировки: если значение флага равно 1, то в микропроцессоре после выполнения каждой команды генерируется внутреннее прерывание, позволяющее перейти к соответствующей подпрограмме (используется при отладке программ);
Вся информация в ЭВМ хранится в виде наборов бит, то есть комбинаций 0 и 1. Числа представляются двоичными комбинациями в соответствии с числовыми форматами, принятыми для работы в данной ЭВМ, а символьный код устанавливает соответствие букв и других символов двоичным комбинациям.
Для чисел имеется три числовых формата:
В двоичном формате с фиксированной точкой числа могут быть представлены без знака (коды) или со знаком. Для представления чисел со знаком в современных ЭВМ в основном применяется дополнительный код. Это приводит к тому, что, как показано ранее, отрицательных чисел при заданной длине разрядной сетки можно представить на одно больше, чем положительных. Хотя операции в ЭВМ осуществляются над двоичными числами, для записи их в языках программирования, в документации и отображения на экране дисплея часто используют более удобное восьмеричное, шестнадцатеричное и десятичное представление.
В двоично-кодированном десятичном формате каждая десятичная цифра представляется в виде 4 битного двоичного эквивалента. Существуют две основные разновидности этого формата: упакованный и неупакованный. В упакованном BCD -формате цепочка десятичных цифр хранится в виде последовательности 4-битных групп. Например, число 3904 представляется в виде двоичного числа 0011 1001 0000 0100. В неупакованном BCD -формате каждая десятичная цифра находится в младшей тетраде 8-битной группы (байте), а содержимое старшей тетрады определяется используемой в данной ЭВМ системой кодирования, и в данном случае несущественно. То же число 3904 в неупакованном формате будет занимать 4 байта и иметь вид:
xxxx0011 xxxx1001 xxxx0000 xxxx0100 .
Числа с плавающей запятой обрабатываются на специальном сопроцессоре ( FPU - floating point unit ), который, начиная с МП I486, входит в состав БИС микропроцессора. Данные в нем хранятся в 80-разрядных регистрах. Управляя настройками сопроцессора, можно изменять диапазон и точность представления данных этого типа (табл. 14.1).
| Тип данных | Размер (бит) | Диапазон | Обрабатывающий блок |
|---|---|---|---|
| Целые без знака | |||
| 1 байт
1 слово 1 двойное слово |
8
16 32 |
0...255
0...65535 0...4294967295 |
АЛУ |
| Целые со знаком | |||
| 1 байт | 8 | -128...+127 | АЛУ |
| 1 слово | 16 | -32768...+32767 | FPU |
| 1 двойное слово | 32 | -2147483648...+2147483647 | |
| 1 учетверенное слово | 64 |  ( 0.92*1019) |
|
| Числа с плавающей запятой | |||
| действительное число | 32 (1+8+23) | ( 0.34*1039) |
FPU |
| с двойной точностью | 64 (1+11+52) | ( 0.18*10309) |
|
| с увеличенной точностью | 80 (1+15+64) | ( 0.12*104933) |
|
| Двоично-десятичные числа | |||
| 1 байт неупакованное | 8 | 0...9 | АЛУ |
| 1 байт упакованное | 8 | 0...99 | АЛУ |
| 10 байт упакованное | 80 | 0...(99...99)18цифр | FPU |
ОП является основной памятью для хранения информации. Она организована как одномерный массив ячеек памяти размером в 1 байт. Каждый из байтов имеет уникальный 20 битный физический адрес в диапазоне от 00000 до FFFFFh (здесь и далее для записи адресов используется шестнадцатеричная система счисления, признаком которой является символ h в конце кода). Таким образом, размер адресного пространства ОП составляет 220 = 1Мбайт. Любые два смежных байта в памяти могут рассматриваться как 16-битовое слово. Младший байт слова имеет меньший адрес, а старший - больший. Так шестнадцатеричное число 1F8Ah, занимающее слово, в памяти будет расположено в последовательности 8Ah, 1Fh. Адресом слова считается адрес его младшего байта. Поэтому 20 битовый адрес памяти может рассматриваться и как адрес байта, и как адрес слова.
Команды, байты и слова данных можно размещать по любому адресу, что позволяет экономить память вследствие ее более полного заполнения. Однако для экономии времени выполнения программ целесообразно размещать слова данных в памяти, начиная с четного адреса, так как микропроцессор передает такие слова за один цикл работы шины. Слово с четным адресом называется выровненным по границе слов. Невыровненные слова данных с нечетным адресом допустимы, но для их передачи требуется два цикла шины, что снижает производительность ЭВМ. Заметим, что необходимое количество циклов считывания слова данных инициируется микропроцессоромавтоматически. Следует иметь в виду, что при операциях со стеком слова данных должны быть выровнены, а указатель стека инициирован на четный адрес, так как в таких операциях участвуют только слова данных.
Поток команд разделяется на байты при заполнении очереди команд внутри микропроцессора. Поэтому выравнивание команд практически не влияет на производительность и не используется.
Адресное пространство ОП делится на сегменты. Сегмент состоит из смежных ячеек ОП и является независимой и отдельно адресуемой единицей памяти, которая в базовой архитектуре персональной ЭВМ имеет фиксированную емкость 216 = 64К байт. Каждому сегментуназначается начальный (базовый) адрес, являющийся адресом первого байта сегмента в адресном поле ОП. Значение физического адресаячейки складывается из адреса сегмента и смещения ячейки памяти относительно начала сегмента (внутрисегментное смещение). Для хранения значений адреса сегмента и смещения используются 16-битовые слова.
Чтобы получить 20-битовый физический адрес, микропроцессор автоматически осуществляет следующие операции. Значение базового адреса сегмента умножается на 16 (сдвиг на 4 разряда влево) и суммируется со значением смещения в сегменте (рис. 14.3). В результате получается 20-битовое значение физического адреса. При суммировании может возникнуть перенос из старшего бита, который игнорируется. Это приводит к тому, что ОП оказывается как бы организованной по кольцевому принципу. За ячейкой с максимальным адресом FFFFFh следует ячейка с адресом 00000h.
Сегменты физически не привязаны к конкретному адресу ОП, и каждая ячейка памяти может принадлежать одновременно несколькимсегментам, так как базовый адрес сегмента может определяться любым 16-битовым значением. Сегменты могут быть смежными, неперекрывающимися, частично или полностью перекрывающимися. Вместе с тем, в соответствии с алгоритмом вычисления физического адреса, начальные адреса сегментов всегда кратны 16
Выводы из данной статьи про архитектура персонального компьютера указывают на необходимость использования современных методов для оптимизации любых систем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое архитектура персонального компьютера и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ
Термины: Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ