Организация фон-неймановской ЭВМ
На функциональной схеме (рисунок 5.1) показаны типовые узлы каждого из основных устройств ЭВМ, а также сигналы, инициирующие выполнение отдельных операций по пересылке информации и ее обработке, необходимых для функционирования машины.
Рис. 5.1 Функциональная схема ЭВМ
Сокращения на рисунке 5.1:
МПА - микропрограммный автомат; СК - счетчик команд;
ДКОп - дешифратор кода операции; РК - регистр команд;
РКОп - регистр кода операции;
РА - регистр адреса;
УС - указатель стека;
РАП - регистр адреса памяти;
РДП - регистр данных памяти;
ОП - основная память;
РХ - регистр X;
P Y - регистр Y;
ОПБ - операционный блок;
РПрз - регистр признаков;
Акк - аккумулятор;
ДВВ - дешифратор номера порта ввода-вывода;
ПУ - периферийное устройство.
Устройство управления
Устройство управления (УУ) - важнейшая часть ЭВМ, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ЭВМ как единой системы. Для пояснения функций УУ ЭВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может подвергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любыми элементами ЭВМ инициируется своим сигналом управления, то есть управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора сигналов управления в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует сигналы управления для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ЭВМ.
Остановимся на описании важных узлов, реализующих целевую функцию УУ.
Счетчик команд
Счетчик команд (СК) - неотъемлемый элемент устройства управления любой ЭВМ, построенной в соответствии с фон-неймановским принципом программного управления. Согласно этому принципу соседние команды программы располагаются в ячейках памяти со следующими по порядку адресами и выполняются преимущественно в той же очередности, в какой они размещены в памяти ЭВМ. Таким образом, адрес очередной команды может быть получен путем увеличения адреса ячейки, из которой была считана текущая команда, на длину выполняемой команды, представленную числом занимаемых ею ячеек. Реализацию такого режима и призван обеспечивать счетчик команд - двоичный счетчик, в котором хранится и модифицируется адрес очередной команды программы. Перед началом вычислений в СК заносится адрес ячейки основной памяти, где хранится команда, которая должна быть выполнена первой. В процессе выполнения каждой команды путем увеличения содержимого СК на длину выполняемой команды в счетчике формируется адрес следующей подлежащей выполнению команды. В рассматриваемой ЭВМ любая команда занимает одну ячейку, поэтому содержимое СК увеличивается на единицу, что обеспечивается подачей сигнала управления +1СК. По завершении текущей команды адрес следующей команды программы всегда берется из счетчика команд. Для изменения естественного порядка вычислений (перехода в иную точку программы) достаточно занести в СК адрес точки перехода.
Хотя термин «счетчик команд» считается общепринятым, его нельзя признать вполне удачным из-за того, что он создаст неверное впечатление о задачах данного узла. По этой причине разработчики ЭВМ используют иные названия, в частности программный счетчик (PC, Program Counter) или указатель команды (IP, Instruction Pointer). Последнее определение представляется наиболее удачным, поскольку точнее отражает назначение рассматриваемого узла УУ.
Регистр команды
Счетчик команд определяет лишь местоположение команды в памяти, но не содержит информации о том, что это за команда. Чтобы приступить к выполнению команды, ее необходимо извлечь из памяти и разместить в регистре команды (РК). Этот этап носит название выборки команды. Только с момента загрузки команды в РК она становится «видимой» для процессора. В РК команда хранится в течение всего времени ее выполнения. Любая команда содержит два поля: поле кода операции и поле адресной части. Учитывая это обстоятельство, регистр команды иногда рассматривают как совокупность двух регистров - регистра кода операции (РКОп) и регистра адреса (РА), в которых хранятся соответствующие составляющие команды.
Если команда занимает несколько последовательных ячеек, то код операции всегда находится в том слове команды, которое извлекается из памяти первым, Это позволяет по коду операции определить, требуются ли считывание из памяти и загрузка в РК остальных слов команды. Собственно выполнение команды начинается только после занесения в РК ее полного кода.
Указатель стека
Указатель стека (УС) - это регистр, где хранится адрес вершины стека. В реальных вычислительных машинах стек реализуется в виде участка основной памяти, обычно расположенного в области наибольших адресов. Заполнение стека происходит в сторону уменьшения адресов, при этом вершина стека - это ячейка, куда была произведена последняя по времени запись. Для хранения адреса такой ячейки и предназначен УС. При выполнении операции push (занесение в стек) содержимое УС с помощью сигнала -1УС сначала уменьшается на единицу, после чего используется в качестве адреса, по которому производится запись. Соответствующая ячейка становится новой вершиной стека. Считывание из стека (операция pop) происходит из ячейки, на которую указывает текущий адрес в УС, после чего содержимое указателя стека сигналом +1УС увеличивается на единицу. Таким образом, вершина стека опускается, а считанное слово считается удаленным из стека. Хотя физически считанное слово и осталось в ячейке памяти, при следующей записи в стек оно будет заменено новой информацией.
Регистр адреса памяти
Регистр адреса памяти (РАП) предназначен для хранения адреса ячейки основной памяти вплоть до завершения операции (считывание или запись) с этой ячейкой. Наличие РАП позволяет компенсировать различия в быстродействии ОП и прочих устройств машины.
Регистр данных памяти
Регистр данных памяти (РДП) призван компенсировать разницу в быстродействии запоминающих устройств и устройств, выступающих в роли источников и потребителей хранимой информации. В РДП при чтении заносится содержимое ячейки ОП, а при записи - помещается информация, подлежащая сохранению в ячейке ОП. Собственно момент считывания и записи в ячейку определяется сигналами ЧтЗУ и ЗпЗУ соответственно.