Архитектура процессора с точки зрения программиста

Для программиста любой процессор состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил.

Конечно, программисту доступна не вся внутренняя память процессора: есть множество рабочих (программно-недоступных) регистров, использующихся только во время выполнения команд.

Рассмотрим наиболее важные регистры:

¾ счетчик адреса команд

¾ указатель стека

¾ регистр состояния (регистр флагов)

¾ регистр команд

Наличие счетчика адреса команд исходит из одного из принципов Неймана.

Задача счетчика состоит в сохранении адреса очередной команды программы и автоматическом вычислении адреса следующей.

Благодаря наличию программного счетчика в ЭВМ реализуется основной цикл исполнения последовательно расположенных команд программы. Заметим, что не во всех микропроцессорах счетчик команд программно доступен.

В указателе стека хранится адрес начала, специальным образом организуемого, участка памяти стека. Роль указателя стека в функционировании процессора достаточна велика (организация механизма последовательного вызова процедур).

Регистр состояния процессора (слово состояние процессора, регистр флагов): в этом регистре хранятся сведения о текущих режимах работы процессора. Сюда же помещается информация о результатах выполняемых команд.

Содержание регистра состояния МП всегда старается сохранить в первую очередь сразу после значения командного счетчика.

Существует также регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда.

Существуют и другие регистры. Одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

Большинство команда можно разделить на две группы: типа регистр-память и регистр-регистр.

Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ. (слова – это такие элементы данных, которые перемещаются между памятью и регистрами)

Другие команды этого типа помещают значения регистров обратно в память.

Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров или сохраняются в памяти, если это необходимо. Этот процесс называется циклом тракта данных. Чем он быстрее, тем быстрее работает компьютер.

Тракт А+В данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32) арифметико-логического устройства и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые обозначены буквами А и В.

АЛУ производит операцию сложения, результат помещается в выходной регистр АЛУ, а из него в один из общих регистров.

Тракт данных обычной фон-неймановской машины

(иллюстрируется операция сложения)

ЦП выполняет каждую команду за несколько шагов:

1. вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд

2. меняет положение счетчика команд, который после этого указывает на следующую команду

3. определяет тип вызванной команды

4. если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово

5. переносит слово, если это необходимо в регистр центрального процессора

6. выполняет команду

7. переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды

Такая последовательность шагов (выборка – декодирование – выполнение) является основой работы всех компьютеров.

Кроме рассмотренных регистров микропроцессор содержит набор рабочих регистров, которые содержат либо текущие обрабатываемые данные, либо их адреса в ОЗУ.

В ряде МП эти рабочие регистры по функционалу могут быть равнозначными (семейство машин PDP).

В других, назначения регистров достаточно жестко оговаривается (интеловское семейство МП).

В последнем случае выделяется особый регистр, который принято называть аккумулятором. В нем производятся все основные операции, и сохраняется их результат.

Существует определенная связь между регистрами: информация из одного может передаваться в другой.

Для машин с равноправными регистрами передача данных возможна между любыми регистрами, для остальных – между строго определенными парами.

Так или иначе, информацию из одного регистра МП всегда можно перенести в другой.

ОС в современном их понимании (их назначении и сущности) появились значительно позже первых компьютеров.

Развитие аппаратных и программных средств шло совместно, эволюционным путем, оказывая влияние друг на друга.

Роль факторов естественного отбора при эволюции ВС играли такие критерии как эффективность, безопасность и удобство.

В начальный период на ЭВМ могла выполняться только одна программа, причем основное время уходило на внесение программы и данных в память машины, также значительно замедлял работу вывод информации на печать. Процессор использовался крайне неэффективно.

Согласно схеме фон-Неймана центральный процессор замыкал на себя все информационные потоки и все функции управления, то есть был перегружен.

При выводе данных на печать процессор простаивал, поэтому были предприняты попытки устранения отмеченной ситуации.

Благодаря вводу контроллеров переферийных устройств часть управленческого функционала процессора была передана им.

Для устранения информационной перегрузки классическая схема была видоизменена. В структуре компьютера появилась общая шина, через которую могли взаимодействовать подключаемые к ней источник и приемник данных.