Historia rozwoju systemów komputerowych

1.

1. Historia rozwoju systemów komputerowych
Komputer
Rok
uruchomienia
Pochodzeni
e
Dziesiętny
/Binarny
Elektroniczny
Programowalny
Test
Turinga
Zuse Z3
1941
Niemcy
binarny
Nie
dziurkowana taśma
Tak
Atanasof-Berry
Computer
1941
USA
binarny
Tak
nie
Nie
Colossus
1944
UK
binarny
Tak
częściowo przez zmianę
okablowania
Nie
Harvard Mark I
1944
USA
dziesiętny
Nie
dziurkowane karty
Tak
ENIAC
1944
USA
dziesiętny
Tak
częściowo przez zmianę
okablowania
Tak
ENIAC v2
1948
USA
dziesiętny
Tak
poprzez tablice funkcyjne
Tak
pierwsze komputery były konstruowane w oparciu o mechaniczne przekaźniki, albo lampy elektronowe. Nie
wszystkie z nich były programowalne lub w pełni programowalne. „Programowanie”, w niektórych przypadkach,
wiązało się z mechanicznym połączeniem specjalnymi kablami poszczególnych modułów komputera.
1

2.

Procesor (ang. processor) lub CPU (ang. Central Processing Unit) –
centralne (główne) urządzenie sekwencyjne cyfrowe potrafiące pobierać
dane z pamięci, interpretować je i wykonywać jako rozkazy.
Procesor wykonuje ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru
operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora
jako lista rozkazów procesora.
Pamięć komputerowa to różnego rodzaju urządzenia i bloki
funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i
programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji).
Urządzenie wejścia-wyjścia, urządzenie we/wy, urządzenie I/O (ang.
input/output device) służy do komunikacji komputera z użytkownikiem,
komputerem lub innym urządzeniem.
•urządzenia wejścia to np.: klawiatura, mysz komputerowa, skaner, oraz
czytniki nośników danych
•urządzenia wyjścia to np.: monitor, drukarka, głośniki, słuchawki
•urządzenia wejścia i wyjścia to np.: karta sieciowa, modem, ekran dotykowy,
dysk twardy, Bluetooth, USB oraz wszelkie inne nagrywalne stacje nośników
danych
2

3.

Warstwy systemu komputerowego
System komputerowy– układ współdziałania sprzętu komputerowego oraz oprogramowania
Struktura systemu komputerowego składa się z pięciu zasadniczych warstw tj. :
warstwa sprzętowa,
system operacyjny,
programy narzędziowe,
programy użytkowe
i użytkownicy.
Warstwa Sprzętowa – zapewnia podstawowe możliwości obliczeniowe (procesor, pamięć, urządzenia wejścia/wyjścia)
– podstawowe zasoby systemu komputerowego.
System operacyjny – kontroluje i koordynuje użycie zasobów sprzętowych poprzez różne programy użytkowe dla różnych użytkowników.
Programy narzędziowe – wspomagają zarządzanie zasobami sprzętowymi poprzez dogodne interfejsy użytkowe oraz usprawniają,
modyfikują oprogramowanie systemowe, zazwyczaj pisane przez niezależnych programistów którzy mają na celu usprawnienia wykonywania
programów w bardziej wygodny i wydajny sposób, a przy tym często eliminują błędy czy też niedociągnięcia oprogramowania systemowego.
Programy użytkowe – określają sposoby, w jakie zostają użyte zasoby systemowe do rozwiązywania problemów obliczeniowych zadanych
przez użytkownika (kompilatory, systemy baz danych, gry, oprogramowanie biurowe), tworzone przez programistów.
Użytkownicy – ludzie, maszyny, inne komputery, mają bezpośredni kontakt z oprogramowaniem użytkowym
3

4.

Architektura komputera według von Neumann’a
System komputerowy zbudowany w oparciu o architekturę von Neumanna powinien:
• mieć skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów
• mieć możliwość wprowadzenia programu do systemu komputerowego poprzez urządzenia zewnętrzne i jego
przechowywanie w pamięci w sposób identyczny jak danych
• dane i instrukcje w takim systemie powinny być jednakowo dostępne dla procesora;
• informacja jest tam przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci komputera i
wykonywaniu tych instrukcji w procesorze.
sterowanie
wejście
jednostka
wyjście
sterująca
Słowo 0
Słowo 1
..........
jednostka
wejście
adres
..........
wykonawcza
wyjście
słowo danych
..........
CPU
Słowo N
PROCESOR
MAGISTRALA
PAMIĘĆ
Koncepcja komputera z programem zintegrowanym
4

5.

Typy architektury komputerów
Architektura systemu komputerowego to sposób połączenia i organizacji jego poszczególnych
elementów. Definiuje ona zatem budowę komputera bardziej na poziomie funkcjonalnym niż
technologicznym. Ważne są tu takie elementy jak: sposób współpracy jednostki arytmetycznologicznej z urządzeniami zewnętrznymi, format danych, sposób organizacji i adresowania pamięci,
budowa słowa rozkazowego, sposób kontroli wszystkich elementów systemu.
Koncepcja komputera według von Neumanna
Komputer taki składa się z:
• Jednostki arytmetyczno-logicznej (ALU), która wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne na liczbach binarnych.
• Pamięci głównej, w której przechowywane są dane i rozkazy.
• Jednostki sterującej, która interpretuje i wykonuje rozkazy.
• Urządzeń wejścia-wyjścia, sterowanych przez jednostkę sterującą, poprzez które są wprowadzane i wyprowadzane dane
5

6.

Architektura komputera według von Neumann’a
CPU – Centralna Jednostka Przetwarzająca
MEM – pamięć
PAO – pamięć operacyjna
ROM – pamięć do odczytu (EEPROM- przechowuje
oprogramowanie obsługujące urządzenia wejścia-wyjścia
dołączone do mikrokomputera, tzw. BIOS)
I/O - Układy wejścia-wyjścia
DB – (Data Bus) magistrala danych
AB – (Address Bus) magistrala adresowa
CB – (Control Bus) magistrala sterująca
Zadania:
Procesor
-
przetwarzanie danych, których źródłem jest pamięć
Pamięć
-
informacja przechowywana w komórkach o jednakowym rozmiarze ,
każda komórka zawiera jednostkę informacji zwaną słowem,
sposób przechowywania danych jak i tez instrukcji jest identyczny,
struktura (kod) słowa nie pozwala na odróżnienie instrukcji od danych,
komórki tworzą zbiór uporządkowany (unikatowy wskaźnik lokacji),
zawartość komórki może zmienić procesor
6

7.

Architektura komputera według von Neumann’a
Pamięć (główna, operacyjna, pierwotna) jest adresowana podczas wykonywania pojedynczego rozkazu i jest
pamięcią o dostępie swobodnym (random access)
Program jest sekwencją rozkazów.
Układ wytwarzający adres kolejnego rozkazu podczas wykonywania poprzedniego rozkazu nosi nazwę
Licznika Rozkazów (Program Counter)
Alternatywna koncepcja komputera z programem
zintegrowanym (Harwardzka )
Jednostka sterująca
sterowanie
rozkazy
Jednostka wykonawcza
PAMIĘĆ
ROZKAZÓW
adres
dane
PAMIĘĆ
DANYCH
wejście
wyjście
PROCESOR
Podstawowa architektura komputerów zerowej generacji i początkowa komputerów pierwszej generacji.
7

8.

2. Klasyfikacja systemów komputerowych
przeznaczenie systemu:
•ogólnego przeznaczenia (konfiguracja tak dobrana, aby komputer mógł służyć wielu celom),
•specjalizowane (przeznaczone do wykonywania określonego zdania lub klasy zdań)
tryb przetwarzania informacji:
•systemy jednoprogramowe – jednozadaniowe (jednocześnie jest wykonywany tylko jeden program,
wykonanie kolejnego programu jest możliwe po całkowitym zakończeniu programu poprzedniego),
•systemy wieloprogramowe – wielozadaniowe (wiele programów może być wykonywanych pozornie
jednocześnie, wykonywanie wielu programów następuje na przemian),
•systemy wielodostępne – wieloużytkownikowe (możliwe jest korzystanie z systemu jednocześnie przez
wielu użytkowników).
gabaryty komputera:
•systemy osadzone (ang. embedded) – komputery sterujące wbudowywane w inne urządzenia,
•komputery osobiste (biurowe, domowe, używane w jednym miejscu – stacjonarne),
•komputery przenośne (ang. laptop, notebook),
•komputery kieszonkowe (ang. palmtop),
•systemy serwerowe - wykorzystywane głównie poprzez sieć.
długości słowa procesora komputera:
•8-bitowe,
•16-bitowe,
•32-bitowe,
•64-bitowe.
8

9.

3. Składniki systemu komputerowego
Komputer PC ogólnego przeznaczenia składa się z jednej bądź kilku jednostek centralnych i urządzeń I/O,
połączonych wspólną magistralą umożliwiającą współpracę ze wspólną pamięcią.
Każde urządzenie wchodzące w skład systemu komputerowego (dysk twardy, karta grafiki, drukarka itd.) ma
zdefiniowany standard połączenia z jednostką centralną.
Sterowniki mają zapewnić uporządkowany dostęp do wspólnej pamięci danych i innych zasobów.
Na architekturę komputera składają się:
•Jednostka centralna (CPU), czyli przynajmniej jeden procesor.
•Magistrala systemowa, poprzez którą komunikują się
poszczególne elementy systemu.
•Wspólna pamięć, która służy do przechowywania
danych i kodu programu.
•Urządzenia wejścia-wyjścia, poprzez które możliwa
jest komunikacja ludzi z komputerem.
9

10.

W sytuacjach, kiedy jakiekolwiek dane zapisywane są przy użyciu wielu (przynajmniej dwóch)
bajtów, nie istnieje jeden unikalny sposób uporządkowania tych bajtów w pamięci lub w czasie
transmisji przez dowolne medium i musi być użyta jedna z wielu konwencji ustalająca kolejność
bajtów
Forma zapisu danych
Big endian - najbardziej znaczący bajt umieszczony jest jako pierwszy.
Procesory, które używają formy big endian, to między innymi SPARC, Motorola 68000, PowerPC 970,
IBM System/360, Siemens SIMATIC S7.
Jest ona analogiczna do używanego na co dzień sposobu zapisu liczb.
Little endian - mniej znaczący bajt (zwany też dolnym bajtem, z ang. low-order byte) umieszczony jest
jako pierwszy.
Procesory, które używają formy little endian, to między innymi wszystkie z rodziny x86, DEC VAX.
Jest ona odwrotna do używanego na co dzień sposobu zapisu liczb.
Procesor zapisujący 32-bitowe wartości w pamięci, przykładowo 4A3B2C1D pod adresem 100, umieszcza dane, zajmując adresy od 100 do 103 w
następującej kolejności:
adres
100
101
102
103
bajty
4A
3B
2C
1D
adres
100
101
102
103
bajty
1D
2C
3B
4A
10

11.

ZESTAWIENIE BINARNYCH KODÓW POZYCYJNYCH
Kod
NKB
ZM
U1
U2
bias=3
0000
0
0
0
0
-3
Kod
Reprezentacja
Konstrukcja kodu
0001
1
1
1
1
-2
NKB
bn-1...b1b0
bn-12n-1+...+b121+b020
0010
2
2
2
2
-1
ZM
bzbn-2...b1b0
(-1)bz kod NKB
0011
3
3
3
3
0
U1
bn-1bn-2...b1b0
bn-1(-2n-1-1) + kod NKB
0100
4
4
4
4
1
U2
bn-1bn-2...b1b0
bn-1(-2n-1) + kod NKB
0101
5
5
5
5
1
bias
bn-1...b1b0
0110
6
6
6
6
3
0111
7
7
7
7
4
1000
8
0
-7
-8
5
1001
9
-1
-6
-7
6
Kod
Reprezentacja
zakres
1010
10
-2
-5
-6
7
NKB
bn-1...b1b0
0 ... 2n-1
1011
11
-3
-4
-5
8
ZM
bzbn-2...b1b0
-2n-1+1 ... 2n-1-1
1100
12
-4
-3
-4
9
U1
bn-1bn-2...b1b0
-2n-1+1 ... 2n-1-1
1101
13
-5
-2
-3
10
U2
bn-1bn-2...b1b0
-2n-1 ... 2n-1-1
1110
14
-6
-1
-2
11
bias
bn-1...b1b0
-bias ... 2n-1-bias
1111
15
-7
0
-1
12
x
kod NKB (bn-1...b0) - bias
11

12.

Operacje logiczne
Operacje na bitach
Przy operacjach na bitach stosuje się specjalne słowo bitowe
nazywane maską. Maska posiada odpowiednio ustawione lub
wyzerowane bity na odpowiednich miejscach.
Zerowanie bitu
11011111
AND 11110111
z = x AND y
z = x OR y
z = x XOR y
x
y
z
x
y
z
x
y
z
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
maska
11010111
Ustawianie bitu
11011111
OR 00100000
11111111
Zmiana stanu bitu na przeciwny
maska
11001111
XOR 00001000
maska
11000111
12

13.

Schemat funkcjonalny jednostki centralnej CPU
rejestry części
wykonawczej
JEDNOSTKA
WYKONAWCZA
ALU
DANE
WYNIKI
dekoder
rozkazów
rejestr
rozkazów
wewnętrzne
sygnały
sterujące
PROGRAM
Zadaniem jednostki wykonawczej
jest
wykonywanie
operacji
arytmetycznych i logicznych w
zależności
od
wewnętrznych
sygnałów sterujących
zewnętrzne
sygnały
sterujące
układ
sterowania
JEDNOSTKA
STERUJĄCA
Jednostka sterująca z programu
dekoduje rozkaz i na jego
podstawie
generowane
są
wewnętrzne i zewnętrzne sygnały
sterujące
13

14.

4. Procesor – informacje ogólne
Procesor (CPU – ang. Central Processing Unit) interpretuje instrukcje programu i zgodnie z nim przetwarza dane.
Procesor wykonuje sekwencyjnie instrukcje przechowywane w pamięci.
Instrukcja nie jest wykonywana w jednym kroku. Jej wykonanie jest rozbite na wiele etapów.
Można wyróżnić pięć głównych etapów wykonywania instrukcji. Są to:
•Pobranie rozkazu – odczyt rozkazu z pamięci (rozkaz operacji pobrany do rejestru rozkazów (ang. Instruction Register IR).
Każde polecenie jest wartością liczbową interpretowaną jako polecenie.
Adres aktualnie wykonywanej instrukcji jest umieszczony w specjalnym rejestrze rozkazów PC (ang. Program Counter).
•Zdekodowanie rozkazu – po odczytaniu instrukcji z pamięci, procesor interpretuje polecenie (ang. Decoder).
W trakcie tego procesu instrukcja jest rozbijana na poszczególne części o odmiennym znaczeniu.
•Generacja adresów operandów – na tym etapie obliczane są bezpośrednie adresy danych, na których operuje instrukcja.
Dane te muszą być ściągnięte do rejestrów procesora ( ang. general purpose registers).
•Wykonanie rozkazu – jest to wykonanie polecenia (ang. Execution Unit EU).
Wykorzystywane mogą być różne moduły procesora:
całkowitoliczbowa jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU), jednostka zmiennopozycyjna (FPU).
Dane na tym etapie są pobierane z rejestrów, a wyniki umieszczane w rejestrach.
Nie jest możliwe wykonywanie operacji arytmetyczno-logicznych bezpośrednio w pamięci RAM.
•Zapis do pamięci – jest to faza końcowa. Na tym etapie wyniki mogą zostać odesłane do pamięci operacyjnej RAM.
Mi
F
D
(R)
cykl pamięci
E
W
Mj
F
- pobranie kodu
D
- dekodowanie
R
- odczyt argumentu
E
- wytworzenie wyniku
W
- zapamiętanie wyniku
Mi,j - stan komputera
14

15.

REJESTRY OGÓLNEGO STOSOWANIA
Rejestry ogólnego stosowania
Układy pamięciowe przeznaczone do przechowywania informacji oraz spełniające
spełniające funkcje specjalne.
Rejestry 16-to bitowe podzielone na dwie 8-bitowe części: dolną (L) i górną (H).
– AX - (akumulator) rejestr przeznaczony do przechowywania jednego z z
argumentów wykonywanej operacji oraz miejsce wyniku operacji
–
BX - rejestr bazowy wykorzystywany do operacji związanych z pamięcią
operacyjną lub do adresowania pamięci. Domyślnie rejestr BX, wraz z
rejestrem segmentowym DS, jest używany jako wskaźnik pamięci
–
CX - rejestr wykorzystywany głównie jako licznik odliczający powtarzające
się fragmenty programów bądź pojedynczych rozkazów
–
DX - rejestr najczęściej wykorzystywany głównie jako wskaźnik adresów w
rozkazach IN i OUT
15
8 7
0
AX
AH
AL
Akumulator
BX
BH
BL
Rejestr bazowy
CX
CH
CL
Rejestr zliczający
DX
DH
DL
Rejestr danych
15

16.

REJESTRY
REJESTRY
dostępne programowo
niedostępne programowo
(na przykładzie procesora 8086/8088)
15
0
FLAGS
15
7
0
Rejestr
znaczników
(flagowy
AX
AH
AL
Akumulator
BX
BH
BL
Rejestr bazowy
CX
CH
CL
Rejestr zliczający
DX
DH
DL
Rejestr danych
DI
Rejestr indeksowy
źródła
Rejestr indeksowy
przeznaczenia
BP
Wskaźnik bazy
SP
Wskaźnik stosu
SI
OF DF IF
Rejestry
ogólnego
stosowania
Rejestry
wskaźnikowe
i indeksowe
TF SF ZF
AF
PF
CF
Znaczniki stanu
OF - flaga nadmiaru (przepełnienia)
SF - flaga znaku
ZF - flaga zera
CF - flaga przeniesienia
PF - flaga parzystości
AF - flaga przeniesienia pomocniczego
Znaczniki kontrolne
IF - flaga zezwolenia na przerwanie
TF - flaga pracy krokowej
DF - flaga kierunku
Wskaźnik
rozkazów
IP
CS
Rejestr kodu
DS
Rejestr danych
ES
Rejestr dodatkowy
SS
Rejestr stosu
Rejestry
segmentowe
16

17.

REJESTRY SEGMENTOWE
Rejestr CS wskazuje początek 64KB (216 ) bloku pamięci zawierającej kod
rozkazu lub na segment kodu, w którym rezyduje następny do wykonania
rozkaz. (CS:IP)
Rejestr DS wskazuje początek 64KB bloku pamięci zawierający dane
(argumenty) (DS:DI);(DS:SI),(DS,BX)
Rejestr ES wskazuje początek 64KB bloku pamięci zwanego dodatkowym.
Jest on używany jest w operacjach łańcuchowych (wykorzystując pary
rejestrów ES:DI) lub w operacjach na blokach np. kopiowanie,
porównywanie, przeszukiwanie, czyszczenie.
Rejestr SS wskazuje początek 64KB bloku pamięci zwanego segmentem
stosu.
blok pamięci
CS
Rejestr kodu
DS
Rejestr danych
ES
Rejestr dodatkowy
SS
Rejestr stosu
CS:IP
17

18.

REJESTRY INDEKSOWE I WSKAŹNIKOWE
SI - rejestr indeksowy źródła danych wykorzystywany jest głównie
jako wskaźnik przesunięcia w bloku pamięci operacyjnej
DI - rejestr indeksowy miejsca przeznaczenia danych wykorzystywany
jest głównie jako wskaźnik przesunięcia w bloku pamięci operacyjnej
rejestr SI adresuje przesunięcie źródła (wyniku) danych w połączeniu z
rejestrem segmentowym DS.
rejestr DI adresuje przesunięcie przeznaczenia danych w połączeniu z
rejestrem segmentowym ES
-
BP (wskaźnik bazy) - rejestr ten dotyczy obszaru segmentu stosu.
Używany jest jako wskaźnik przesunięcia pamięci wspólnie z rejestrem
segmentowym SS (SS:BP)
SP (wskaźnik stosu) - rejestr ten podaje bieżące położenie wierzchołka
stosu.
18

19.

STOS
Pamięć operacyjna
Stos jest liniową strukturą danych, w której dane
dokładane są na wierzch stosu i z wierzchołka stosu są
pobierane (bufor typu LIFO, Last In, First Out; ostatni na
wejściu, pierwszy na wyjściu).
Elementy stosu poniżej wierzchołka stosu można
wyłącznie obejrzeć, aby je ściągnąć, trzeba najpierw po
kolei ściągnąć to, co jest nad nimi.
Stos jest używany są przez procesor:
- do chwilowego zapamiętywania stanu rejestrów
procesora,
- do przechowywania zmiennych lokalnych,
- a także w programowaniu wysokopoziomowym.
SP
BP
Adresacja stosu
•SS – rejestr segmentowy, wskazujący na początek stosu, czyli krańcową wartość, jaką może przyjąć ESP (SS:BP)
•ESP (SP dla procesorów 16-bitowych) – rejestr wskazujący na element znajdujący się na szczycie stosu.
Operacje na stosie
push
umieszczenie wartości na szczycie stosu. Odpowiada on przesunięciu rejestru ESP o o ilość bajtów zależną od rozmiaru rejestru, którego
wartość przenosimy na stos
pop
zdjęcie wartości ze stosu. Odpowiada on zapisaniu ilości bajtów zależnej od rozmiaru rejestru, do którego przenosimy wartość
19

20.

Operacje logiczne
Operacje logiczne w odróżnieniu do operacji arytmetycznych operują na pojedynczych bitach.
Logika cyfrowa opiera się na algebrze Boole’a
Symbol Algebry
Boole'a
Symbol
bitowy
PRAWDA
1
FAŁSZ
0
Funkcje dwóch zmiennych - suma, iloczyn, negacja (funkcja jednej zmiennej) nie
wyczerpują
listy
wszystkich
możliwych
funkcji
dwóch
zmiennych.
Zakładając, że mamy zmienne x0 i x1 funkcje te można zapisać:
gdzie kolejne funkcje:
Prawa Algebry Boole’a
1. przemienność A*B = B*A, A+B = B+A,
2. łączność (A*B)*C = A*(B*C), (A+B)+ C = A+(B+C),
3. rozdzielczość A*(B+C) = A*B+A*C,
(A+B)*(A+C) = A+B*C,
4. tożsamość A*0 = 0, A+0 = A,
A*1 = A , A+1 = A,
A*A = A, A+A = A,
5. komplementarność , ,
oraz dwa tzw. prawa de Morgana:
A B A B
f0- funkcja stała,
f1- funkcja NOR,
f2- funkcja implikacji (zakazu),
f3- negacja x0,
f4- funkcja implikacji (zakazu),
f5- negacja x1,
f6- funkcja sumy wyłączającej,
sumy modulo 2 lub funkcja
EXOR,
f7- funkcja NAND,
f8- funkcja iloczynu,
f9- funkcja równoważności,
f10- funkcja tożsama ze zmienną,
f11- funkcja implikacji,
f12- funkcja tożsama ze zmienną,
f13- funkcja implikacji,
f14- funkcja sumy,
f15- funkcja stała.
20

21.

JEDNOSTKA ARYTMETYCZNO – LOGICZNA
Jednostka Arytmetyczno-Logiczna (ALU) - UNIWERSALNY zespół układów
kombinacyjnych, realizujący operacje matematyczne i logiczne
Rozkazy wykonywane przez ALU:
– Operacje dwuargumentowe:
operacje arytmetyczne (dodawanie i odejmowanie);
operacje logiczne (sumowanie mnożenie, sumowanie mod 2, itd.)
– operacje jednoargumentowe (negowanie bitów, przesuwanie zawartości
rejestrów, itd.)
ALU - układ SN74181
ALU
A0 - A3
F0 - F3
B0 - B3
S0 - S3
M
M(0,1) – wybór rodzaju operacji;
S0 – S3 –czterobitowy kod sterujący
F0 – F3 – wynik operacji
Lp.
S0 - S3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0000
1000
0100
1100
0010
1010
0110
1110
0001
1001
0101
1101
0011
1011
0111
1111
M=0
M=1
F A
F A C0
F A B
F ( A B ) C0
F AB
F 0
F ( A B ) C0
F AB
F B
F A B
F A A B C0
F AB
F A (1 C0 )
F A B
F A AB C0
F A B
F B
F AB
F 1
F A B
F A B
F A
F C0 1
F ( A B ) A B C0
F A B (1 C0 )
F A B C0
F ( A B ) AB C0
F AB (1 C0 )
F 2 A C0
F ( AB) A C0
F ( A B ) A C0
F A (1 C0 )
21

22.

Adresowanie pamięci operacyjnej
Procesory
16-bitowe
Do zaadresowania 1 MB pamięci operacyjnej (o gradacji 8 bitów (1 bajt))
wymagane jest 20 linii adresowych – 220
220 -linie adresowe
Rejestr segmentowy wskazuje na ciągły obszar
pamięci o wielkości 64 kB
216
Każdy indywidualny adres pamięci zawiera komórkę o gradacji 8-bitów
Przyrost wartości o 1 w rejestrze segmentowym zwiększa o 16 adres fizyczny
22

23.

Procesory
16-bitowe
Adresowanie pamięci operacyjnej
W heksadecymalnym systemie zapisu :
segment*10
+ offset
(adres logiczny)*10 + (adres logiczny)
0002h *10h
=
00020h
+0003h
-----------00023h
adres fizyczny
Dla procesorów 16-bitowych adres fizyczny komórki pamięci operacyjnej był realizowany poprzez
dwa adresy logiczne (rejestrów 16-bitowych)
23

24.

Adresowanie pamięci operacyjnej
Procesory
16-bitowe
Dostęp do pamięci operacyjnej dla kodów rozkazu, danych źródłowych, danych docelowych jak i
obszaru przechowującego dane tymczasowe ( stos) realizowany jest poprzez następujące konfiguracje
rejestrów:
Code Segment
CS:IP
Data Segment
DS:SI
Extra Segment
ES:DI
Stack Segment
SS:BP
24

25.

Adresowanie pamięci operacyjnej
Adresowanie 3 D
Adresowanie wybranej komórki pamięci następuje w dwóch fazach:
-
w fazie pierwszej, wraz z opadającym sygnałem RAS (Row Address Strobe), na szynie adresowej wystawiany jest
adres wiersza,
-
w fazie drugiej – przy opadającym zboczu sygnału CAS (Column Address Strobe) – adres kolumny.
W ten sposób za pomocą 10 linii adresowych A[0:9] oraz linii RAS i CAS uzyskuje się 20 bitowy adres zdolny zaadresować
obszar 1 MEG komórek (1 MEG = 1024 x 1024)
25

26.

Adresowanie pamięci operacyjnej
Typy adresacji
Typ adresacji jest to sposób określenia miejsca przechowywania argumentów rozkazu
Kod rozkazu zawiera:
rodzaj wykonywanego rozkazu czyli tzw. kod operacji
(w pierwszym bajcie rozkazu)
opcjonalnie operandy i/lub adresy operandów wykonywanych
operacji
WYBRANE TRYBY ADRESOWANIA
Adresowanie natychmiastowe
argument rozkazu zawarty jest w
kodzie rozkazu
MOV AX,1234
MOV BYTE PTR[ABBA],1234
Adresowanie bezpośrednie
kod rozkazu zawiera adres komórki
pamięci,w której przechowywany
jest argument
MOV BL,[ABBA]
MOV [ABBA],BL
26

27.

Adresowanie pamięci operacyjnej
Typy adresacji
Adresowanie rejestrowe
w kodzie rozkazu określony
jest rejestr, w którym
przechowywany jest argument
MOV AX,BX
Adresowanie pośrednie (lub
rejestrowe pośrednie)
Umożliwia modyfikację położenia
argumentu w pamięci w trakcie
wykonywania Programu, lub inaczej
adres argumentu może zostać
wyliczony przez program
MOV [BX],AL
Adresowanie indeksowe z
przemieszczeniem
adres argumentu w pamięci
obliczany jest jako suma zawartości
rejestru określonego w kodzie i
wartości umieszczonej w kodzie
rozkazu zwanej przemieszczeniem
MOV [BX+4],AL
27

28.

Pojęcia podstawowe
Stan komputera:
superpozycja stanu procesora i pamięci
Stan procesora:
informacja zawarta w rejestrach (pamięć wewnętrzna)
Zmiana stanu komputera: wykonanie rozkazu przez CPU
Rozkaz:
jest funkcją, która przeprowadza stan wejściowy w stan wyjściowy
Pamięć:
jest dziedziną i zbiorem wartości każdego rozkazu
Architektura komputera:
zbiór rozkazów i pamięć
Maszyna właściwa
lub mikromaszyna
(host machine):
interpreter kodów rozkazów (procesor)
Maszyna wirtualna:
przetwarzanie sekwencji poleceń (instrukcji) na bezpośrednio
wykonywane rozkazy zakodowane w pamięci (komputer z
oprogramowaniem)
Proces:
stan wejściowy + sekwencja rozkazów (w chwili wykonania rozkazu
jest znany adres lub sposób wyznaczenia adresu kolejnego rozkazu)
Cykl procesora:
czas potrzebny na zmianę stanu procesora
Cykl pamięci
(cykl rozkazowy):
czas potrzebny na zmianę stanu pamięci
28

29.

Cykle wykonania rozkazu
cykle procesora
Mi
F
D
(R)
E
W
Mj
cykl pamięci
Pobranie kodu z pamięci F,
F
- pobranie kodu
Dekodowanie D, - wytworzenie sygnałów sterujących,
wytworzenie adresu argumentu,
D
- dekodowanie
R
- odczyt argumentu
Odczyt argumentów z pamięci, R
E
- wytworzenie wyniku
Wytworzenie wyniku, E,
W
- zapamiętanie wyniku
Zapamiętanie wyniku w pamięci lub rejestrze procesora, W
Mi,j - stan komputera
W każdym etapie wykonania rozkazu występują:
- identyfikacja (adresowanie danych)
- wybór (adresowanie) jednostek wykonawczych
29

30.

Szybkość przetwarzania
N
t p Tc I i Ci
tp
czas wykonania programu bez przerwań
Tc
czas cyklu procesora
Ii
liczba wykonań instrukcji i-tego typu
Ci
średnia liczba cykli potrzebnych na
wykonanie instrukcji
i 1
Schemat przetwarzania
Fi
Di
Ei
Wi
Fi 1
Di 1
Ei 1
Wi 1
Fi 2
t
Di 2
przetwarzanie
sekwencyjne
Fi
Di
Ei
Wi 3
Fi 1
Di 1
Ei 1
Ei 2
Wi 2
Fi 2
Di 2
Di 1
Ei 1
Wi 1
Wi
Fi 4
Fi 3
Di 4
Wi 1
Ei 2
Di 3
Ei 4
Fi 5
Di 5
Wi 2
Ei 3
Fi 6
Wi 3
t
przetwarzanie
30
potokowe

31.

Poziomy maszynowe i ich powiązania
Poziom maszynowy:
L5
L4
L3
L2
język makropoleceń
język algorytmiczny
język asemblerowy
translator języka makropoleceń
opis działania komputera poprzez
realizacje rozkazów na umownych
poziomach abstrakcji
translator języka algorytmicznego
translator języka asemblerowego
funkcje systemu operacyjnego
system operacyjny
Maszyna
wirtualna
interpreter kodu maszynowego
L1
struktura logiczna
interpreter mikroprogramu
L0
przetwornik sygnałów
Maszyna
rzeczywista
Warstwy poziomu maszynowego:
L0 – przetwornik sygnałów (hardware)
L1 – struktura logiczna z generatorem mikrorozkazów (firmware)
L2 – system operacyjny (operating system)
L3 – język asemblerowy (assembly language)
L4 – język algorytmiczny (high-level language)
L5 – język makropoleceń (application program)
31

32.

Pojęcia podstawowe – poziom maszynowy
Kod maszynowy – język rozumiany przez procesor, notowany w postaci dwójkowej, obecnie opisywany
symbolicznie za pomocą mnemoników, identyfikuje maszynę rzeczywistą
System operacyjny – poziom hybrydowy, udostępnienie listy rozkazów procesora, standardowe usługi systemu
Asembler – język programowania niskiego poziomu, wykorzystujący instrukcje procesora. Program napisany w
asemblerze jest tłumaczony na (binarny) kod maszynowy, najniższy poziom języka symbolicznego – udostępnienie
elementarnych działań procesora, operacje na pamięci oraz systemu operacyjnego
Język algorytmiczny – język wysokiego poziomu (C++, Fortran, Pascal)
Kompilacja – tłumaczenie algorytmu na sekwencję rozkazów procesora i wytworzenie obrazu struktur danych
algorytmu w pamięci
Interpretacja – osobne tłumaczenie każdego polecenia na sekwencje rozkazów procesora w chwili użycia
Maszyna wirtualna - oprogramowanie rozbudowujące system komputerowy o nowe właściwości funkcjonalne,
nieudostępniane przez sam sprzęt
Program źródłowy - tekst programu wyrażonego w język programowania, nadający się do czytania przez człowieka
i przeznaczony do tłumaczenia przez translator.
Program wynikowy - efekt pracy kompilatora, półprodukt tłumaczenia w postaci nadającej się do dalszego
tłumaczenia przez asembler lub do konsolidacji.
Program wykonywalny - plik utworzony z plików wynikowych (przetłumaczonych przez kompilator) i modułów
bibliotecznych wskutek połączenia ich przez program łączący. Plik wykonywalny zawiera globalnie ujednolicone
adresy i jest zdatny do ładowania i wykonania przez procesor
.txt
program źródłowy
.obj
.exe
kompilator
program wynikowy
konsolidator
procesor
inne moduły
procesor
program wykonywalny
kod maszynowy
procesor
32