Структура компьютера, принцип функционирования. Выполнение арифметических операций на компьютере

Изучение структуры компьютера и принципов его функционирования. Центральный процессор и основной цикл его работы. Выполнение арифметических операций в ЭВМ. Разработка программы реализации арифметического выражения и отладка ее с помощью отладчика TD.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Государственный комитет России

по высшему образованию.

Рязанская Государственная

Радиотехническая Академия

Кафедра ЭВМ

Контрольная работа

«Структура компьютера, принцип функционирования. Выполнение арифметических операций на компьютере»

Выполнил

студент гр.343

Кондрахин А.В. ,

Проверил

Доц. Иопа Н.И.

Ст. пр. Гринченко Н.Н.

Рязань, 2006 г.

Цель работы

1. Изучение структуры компьютера и принципов его функционирования

2. Выполнение арифметических операций в ЭВМ

3. Разработка программы реализации арифметического выражения и отладка ее с помощью отладчика TD

1. Теоретическая часть

1.1 Структурная организация компьютера

На рис. 1 представлена структурная схема ЭВМ Дж. фон Неймана, включающая устройство ввода-вывода (УВВ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), центральное устройство управления (ЦУУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Все устройства совместно функционируют на основе принципа программного управления.

Программа Операнды ЦП

Исходные ОЗУ Результаты АЛУ

данные УВВ Адреса

Код

Команды операции

Результаты ВЗУ ЦУУ

Рис. 1. Структура ЭВМ Дж. Фон Неймана.

Процесс решения любой задачи на ЭВМ определяется алгоритмом - однозначным предписанием последовательности операций, обеспечивающих решение задачи.

Устройство ЭВМ, непосредственно осуществляющее процесс переработки цифровой информации и управление им в соответствии с заданным алгоритмом, называется центральным процессором (ЦП). Для ЦП алгоритм представляется программой - последовательностью команд, реализующих алгоритм решаемой задачи. Команда имеет операционную (КОП) и адресную (А) части (рис.2).

КОП А

Рис. 2 Формат команды.

Адресная часть (А) указывает адрес ячеек ОП, в которых хранятся операнды (данные); операционная часть содержит код операции, характеризующий соответствующий тип операции, которую должен выполнить процессор.

1.2 Структурная организация ПК

Структура ПК приведена на рис. 3 и является типовой для микропроцессорных систем и ПК на базе 16-разрядного МП Kl810BM86 (аналог Intel 8086).

Рис. 3. Типовая структура ПК на базе МП К1810ВМ86

Микросистема содержит ЦП на основе МП К1810ВМ86, память, подсистему ввода-вывода, системную шину (СШ), включающую шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ).

1.3 Логическая организация памяти

Физически память ЭВМ - Это набор ячеек, каждая из которых имеет размер 1 байт. Номер ячейки - это её адрес. Общее количество ячеек называется адресным пространством. Диапазон значений физических адресов зависит от разрядности шины адреса микропроцессора.

Логически адресное пространство памяти разбито на сегменты по 64 Кбайт. Сегменты могут перекрывать друг друга. Каждый сегмент начинается с адреса, значение которого кратно шестнадцати, например 0000h, 0010h, 0FF0h.. Физическое значение адреса вычисляется с использованием регистра сегмента, в котором хранится номер сегмента, и одного из регистров, где находится смещение (номер ячейки, отсчитываемый от начала сегмента). Число в регистре сегмента умножается на 16 и складывается со смещением.

Для хранения однобайтовых данных в памяти отводится одна ячейка. Для хранения машинных слов в памяти выделяется две ячейки. При этом младший байт слова хранится в ячейке с меньшим значением адреса, старший - с большим значением адреса. В качестве адреса слова указывается адрес младшего байта. [2],[4,5 стр.] Принцип «младшее по младшему адресу» сохраняется и для представления других единиц данных: двойных слов, многобайтных команд и т. д.

МП К18010 обеспечивает адресацию памяти емкостью 2²⁰ = 1 Мбайт. На программном уровне память представляют как линейную последовательность из 1 Мбайт = 2²⁰ байт (рис. 4).

Адрес Память
00000	1С	Байт = 1С по адресу 00000
00001	5А	Слово = 7Е5А по адресу 00001
00002	7Е
00003	4В	Байт = 4В по адресу 00003
FFFFF

Рис. 4 Логическая организация памяти.

1.4 Центральный процессор (ЦП) и основной цикл его работы

ЦП - основной блок ЭВМ (рис. 5). В нём можно выделить две основные части: управляющую (УЧ) и операционную (ОЧ). Операционная часть, в которой происходит преобразование информации (выполняются элементарные операции из функционального полного набора), содержит необходимые для этого средства, и в частности арифметико-логическое устройство (АЛУ) и различные регистры. Операции двоичной арифметики и булевой алгебры реализуются: в АЛУ на уровне регистровых передач между регистрами-источниками операндов и регистром результата. Эти операции осуществляются за счёт пересылки через комбинационную схему (КС), настроенную на определённую арифметическую операцию. УЧ формирует управляющие сигналы (УС) для настройки и коммутации узлов ОУ (см. рис. 5) в соответствии с выполняемой операцией, а также УС, необходимые для организации обмена информацией с ОП и внешними устройствами. Процессор реализует программное управление вычислительным процессом. Необходимую для этого управляющую информацию он получает в виде команд, хранимых в ОП. Программы вместе с исходными данными вводятся в ОП ЭВМ с помощью УВВ.

ЦП ОП

«Считывание»

Управляющая «Запись» Управление

часть

(регистры)

Команда Обл. программ

Адрес команды КОП А

Операционная Адрес операнда

часть

(АЛУ) Операнд Операнд

Результат Обл. данных

Рис. 5. Обобщенная структура процессора

Основной цикл работы ЦП:

ЦП управляет процессом решения задачи на основе программы, команда за командой, считываемых из ОП с последующим исполнением закодированных в них операций.

Выборка команд программы для исполнения, выборка операндов по адресам, указанным в команде, запуск операции на исполнение и запись результата в ОП поручаются устройству управляющей части процессора, называемому центральным устройством управления (ЦУУ).

При обработке i-й команды программы ЦУУ реализует следующую последовательность действий:

- выборку очередной i-й команды;

- исполнение;

- выдачу и сохранение результата исполнения команды;

- подготовку следующей команды.

В состав ЦУУ входят счётчик команд (СК), хранящий адрес очередной команды, и регистр команд (РК). По адресу, содержащемуся в СК, из ОП извлекается очередная i+1 команда и записывается в РК.

Исполнение команды начинается с анализа двух полей команды - КОП и А. Код операции настраивает АЛУ на выполнение заданной операции. Адреса поступают в ОП, где по ним считываются операнды, участвующие в операции, и записывается результат. Заканчивается цикл, как правило, увеличением содержимого СК на количество байтов (длину) команды, подготавливая адрес следующей, i+1, команды. Результат операции в зависимости от типа команды может храниться в одном го регистров ЦП либо передаваться в ОП.

Способ адресации команд может быть естественным -- адрес следующей команды формируется в СК путем увеличения адреса на длину текущей команды l, т.е. СКСК+l, либо принудительным (произвольным). При нарушении естественного порядка следования команд (разветвления, объединения, циклы) используют специальные команды управления переходами, в которых имеется адрес перехода.

Понятие «микропроцессор» (МП) в функциональном отношении совпадает с понятием ЦП и отражает лишь особенности, связанные с использованием технологии СБИС при его реализации.

Структурная схема МП К1810ВМ86

В МП К1810ВМ86 (рис. 6) основные этапы выполнения команды распределены внутри МП по двум сравнительно независимым устройствам - УС и ОУ. компьютер процессор арифметический выражение

Операци...