Представление данных в модели

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Лабораторный практикум построен в расчете на изучение взаимодействия устройств в структуре ЭВМ с помощью программной модели некоторой абстрактной учебной ЭВМ, которая программируется на языке ассемблера.

Часто путь современного программиста начинается со знакомства с языком (языками) высокого уровня и все его общение с компьютером проходит с использованием таких языков.

Во многих случаях знание операторов языка высокого уровня, структуры данных и способов их обработки является достаточным для создания различных полезных приложений. Однако по-настоящему решать проблемы, связанные с управлением различной, особенно нестандартной, аппаратурой (программирование "по железу") невозможно без знания ассемблера. Не случайно практически все компиляторы языков высокого уровня содержат средства связи своих модулей с модулями на ассемблере либо поддерживают выход на ассемблерный уровень программирования.

Однако проводить начальное обучение программированию на низком уровне с рассмотрением механизмов взаимодействия устройств на реальном языке, например х86 на персональной ЭВМ, не всегда удобно. В этом случае между пользователем и аппаратурой ЭВМ присутствует операционная система (ОС), которая существенно ограничивает желания пользователя экспериментировать с аппаратными средствами. Для преодоления этих ограничений необходимо обладать глубокими знаниями как ОС, так и аппаратных средств ЭВМ.

Предлагаемая для использования программная модель учебной ЭВМ отражает все основные особенности систем команд и структур современных простых ЭВМ, включает в себя, помимо процессора и памяти, модели нескольких типичных внешних устройств. Модель позволяет изучить основы программирования на низком уровне, вопросы взаимодействия различных уровней памяти в составе ЭВМ и способы взаимодействия процессора с внешними устройствами.

Описание архитектуры учебной ЭВМ

Современные процессоры и операционные системы — не слишком благоприятная среда для начального этапа изучения архитектуры ЭВМ. Одним из решений этой проблемы может быть создание программных моделей учебных ЭВМ, которые, с одной стороны, достаточно просты, чтобы обучаемый мог освоить базовые понятия архитектуры (система команд, командный цикл, способы адресации, уровни памяти, способы взаимодействия процессора с памятью и внешними устройствами), с другой стороны — архитектурные особенности модели должны соответствовать тенденциям развития современных ЭВМ.

Программная модель позволяет реализовать доступ к различным элементам ЭВМ, обеспечивая удобство и наглядность. С другой стороны, модель позволяет игнорировать те особенности работы реальной ЭВМ, которые на данном уровне рассмотрения не являются существенными.

Далее приводится описание программной модели учебной ЭВМ¹, предназначенной для начальных этапов изучения архитектуры (в т. ч. на младших курсах вуза и даже в школе). Именно этим объясняется использование в модели десятичной системы счисления для кодирования команд и представления данных.

Структура ЭВМ

Моделируемая ЭВМ включает процессор, оперативную (ОЗУ) и сверхоперативную память, устройство ввода (УВв) и устройство вывода (УВыв). Процессор, в свою очередь, состоит из центрального устройства управления (УУ), арифметического устройства (АУ) и системных регистров (CR, PC, SP и др.)- Структурная схема ЭВМ показана на рис. 8.1.

В ячейках ОЗУ хранятся команды и данные. Емкость ОЗУ составляет 1000 ячеек. По сигналу MWr выполняется запись содержимого регистра данных (MDR) в ячейку памяти с адресом, указанным в регистре адреса (MAR). По сигналу MRd происходит считывание — содержимое ячейки памяти с адресом, содержащимся в MAR, передается в MDR.

Сверхоперативная память с прямой адресацией содержит десять регистров общего назначения R0—R9. Доступ к ним осуществляется (аналогично доступу к ОЗУ) через регистры RAR и RDR.

АУ осуществляет выполнение одной из арифметических операций, определяемой кодом операции (СОР), над содержимым аккумулятора (Асе) и регистра операнда (DR). Результат операции всегда помещается в Асе. При завершении выполнения операции АУ вырабатывает сигналы признаков результата: Z (равен 1, если результат равен нулю); S (равен 1, если результат отрицателен); OV (равен 1, если при выполнении операции произошло переполнение разрядной сетки). В случаях, когда эти условия не выполняются, соответствующие сигналы имеют нулевое значение.

В модели ЭВМ предусмотрены внешние устройства двух типов. Во-первых, это регистры IR и OR, которые могут обмениваться с аккумулятором с помощью безадресных команд in (Асе := IR) и out (OR := Асе). Во-вторых, это набор моделей внешних устройств, которые могут подключаться к системе и взаимодействовать с ней в соответствии с заложенными в моделях алгоритмами. Каждое внешнее устройство имеет ряд программно-доступных регистров, может иметь собственный обозреватель (окно видимых элементов). Подробнее эти внешние устройства описаны в разд. 8.6.

УУ осуществляет выборку команд из ОЗУ в последовательности, определяемой естественным порядком выполнения команд (т. е. в порядке возрастания адресов команд в ОЗУ) или командами передачи управления; выборку из ОЗУ операндов, задаваемых адресами команды; инициирование выполнения операции, предписанной командой; останов или переход к выполнению следующей команды.

В качестве сверхоперативной памяти в модель включены регистры общего назначения (РОН), и может подключаться модель кэш-памяти.

В состав У У ЭВМ входят:

- PC — счетчик адреса команды, содержащий адрес текущей команды;

-CR — регистр команды, содержащий код команды;

- RB — регистр базового адреса, содержащий базовый адрес;

- SP — указатель стека, содержащий адрес верхушки стека;

- RA — регистр адреса, содержащий исполнительный адрес при косвенной адресации.

Регистры Асе, DR, IR, OR, CR и все ячейки ОЗУ и РОН имеют длину б десятичных разрядов, регистры PC, SP, RA и RB — 3 разряда.

Представление данных в модели

Данные в ЭВМ представляются в формате, показанном на рис. 8.2. Это целые десятичные числа, изменяющиеся в диапазоне "-99 999...+99 999", содержащие знак и 5 десятичных цифр.

Старший разряд слова данных используется для кодирования знака: плюс (+) изображается как 0, минус (-) — как 1. Если результат арифметической операции выходит за пределы указанного диапазона, то говорят, что произошло переполнение разрядной сетки. АЛУ в этом случае вырабатывает сигнал переполнения OV = 1. Результатом операции деления является целая часть частного. Деление на ноль вызывает переполнение.

Система команд

При рассмотрении системы команд ЭВМ обычно анализируют три аспекта: форматы, способы адресации и систему операций.

Форматы команд

Большинство команд учебной ЭВМ являются одноадресными или безадресными, длиной в одно машинное слово (6 разрядов). Исключение составляют двухсловные команды с непосредственной адресацией и команда mov, являющаяся двухадресной.

В форматах команд выделяется три поля:

□ два старших разряда [0:1] определяют код операции СОР;

□ разряд 2 может определять тип адресации (в одном случае (формат 5а) он определяет номер регистра);

CJ разряды [3:5] могут определять прямой или косвенный адрес памяти, номер регистра (в команде mov номера двух регистров), адрес перехода или короткий непосредственный операнд. В двухсловных командах непосредственный операнд занимает поле [6:11].

Полный список форматов команд показан на рис. 8.3, где приняты следующие обозначения:

□СОР — код операции;

□ ADR — адрес операнда в памяти;

□ ADC — адрес перехода;

□ I — непосредственный операнд;

□ R, Rl, R2 — номер регистра;

□ ТА — тип адресации;

□ X — разряд не используется.

Способы адресации

В ЭВМ принято различать пять основных способов адресации: прямая, косвенная, непосредственная, относительная, безадресная.

Каждый способ имеет разновидности. В модели учебной ЭВМ реализованы семь способов адресации, приведенные в табл. 8.1.

Таблица 8.1. Адресация в командах учебной ЭВМ

Код ТА	Тип адресации	Исполнительный адрес
	Прямая (регистровая)	ADR (R)
	Непосредственная	—
	Косвенная	ОЗУ(АХЖ)[3:5]
	Относительная	ADR + RB
	Косвенно-регистровая	POH(R)[3:5]
	Индексная с постинкрементом	POH(R)[3:5], R:=R+1
	Индексная с преддекрементом	R:=R-1,POH(R)[3:5]

Система операций

Система команд учебной ЭВМ включает команды следующих классов:

- арифметико-логические и специальные: сложение, вычитание, умножение, деление;

- пересылки и загрузки: чтение, запись, пересылка (из регистра в регистр), помещение в стек, извлечение из стека, загрузка указателя стека, загрузка базового регистра;

- ввода/вывода: ввод, вывод;

- передачи управления: безусловный и шесть условных переходов, вызов подпрограммы, возврат из подпрограммы, цикл, программное прерывание, возврат из прерывания;

- системные: пустая операция, разрешить прерывание, запретить прерывание, стон.

Список команд учебной ЭВМ приведен в табл. 8.4 и 8.6.