МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
КАФЕДРА "ЕЛЕКТРОННІ ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МАШИНИ"
Пояснювальна записка
до курсової роботи з дисципліни
“Архітектура комп’ютерів” на тему:
“Проектування комп’ютера”
Виконав:
ст. гр. КІ-34
Тітко М. І.
Прийняла:
ст. викл.
Ногаль М. В.
Львів 2010
Анотація
Курсовий проект з дисципліни "Архітектура комп’ютера являє собою підсумок у вивченні предмету "Архітектура комп’ютерів ч.1". Протягом його виконання необхідно засвоїти знання про принципи дії та архітектуру прототипних варіантів CISC - комп’ютера. Також під час виконання курсової роботи необхідно зрозуміти та опанувати інструкції асемблерної мови і принцип трансляції асемблерної програми у машинний код.
Даний курсовий проект складається з трьох частин:
- Розробка програми-асемблера, яка перетворює вхідний асемблерний код програми у відповідний код на мові машинних інструкцій.
- Розробка поведінкового симулятора результуючого машинного коду.
- Розробка тестової програми на асемблерній мові.
Також до записки з курсової роботи входять додатки, з вихідними кодами програми-асемблера, симулятора і кодом тестової програми з результатами її виконання.
Зміст
Перевірка правильності роботи реалізованих команд у прикладах
Архітектурні принципи
В ході виконання даного курсового проекту студент має ознайомитись та опанувати архітектуру CISC - комп’ютера. Приведемо основні принципи даної архітектури, які запропонував Джон фон Нейман:
1. Інформація кодується в двійковому представленні.
2. Інформація в комп’ютері ділиться на команди і дані.
3. Різнотипні за змістом слова розрізняються за способом застосування, а не по способу кодування.
4. Слова інформації розміщаються в комірках пам’яті та ідентифікуються номерами комірок - адресами слів.
5. Пам’ять є лінійною.
6. Пам’ять має довільну адресацію.
7. Команди і дані зберігаються в одній пам’яті.
8. Алгоритми представляються у вигляді послідовності керуючих слів, як називаються командами. Команда визначається найменуванням операції та слів інформації, які в ній приймають участь. Алгоритм записаний у вигляді послідовності команд, називається програмою.
9. Весь набір виконуваних комп’ютером команд називається системою команд комп’ютера.
10. Виконання обчислень, які визначені алгоритмом, являють собою послідовне виконання команд в порядку визначеному програмою.
Для виконання задачі на комп’ютері необхідно:
- забезпечити вибірку команди програми із його пам’яті в заданій послідовності, організувати звернення до неї за відповідними адресами;
- забезпечити розпізнавання типів виконуваних операцій;
- організувати звернення до пам’яті за відповідними адресами для вибірки необхідних для виконання кожної команди даних;
- організувати виконання над даними операцій відповідно до вказівок команд;
- запам’ятати результат обчислень.
Комп'ютер виконує кожну команду як послідовність простих операцій:
1. Вибірка чергової команди із основної пам'яті.
2. Визначення типу вибраної команди, тобто її дешифрування.
3. Визначення адрес даних, необхідних для виконання цієї команди.
4. Виконання операцій пересилання даних (зчитування даних із пам'яті в регістри процесора).
5. Виконання операції відповідно до її коду в полі коду операції команди.
6. Визначення адрес, за якими запам'ятовуються результати.
7. Запам'ятовування результатів.
8. Підготовка до виконання наступної команди, тобто обчислення її адреси.
Для процесора комп'ютера із складною системою команд характерні наступні
особливості:
- виконання команди за багато тактів, оскільки для цього потрібно здійснити багаторазові операції звернення до основної пам'яті та до програмно-доступних регістрів процесора;
- орієнтація АЛП на виконання великої кількості операцій, що пов'язано з розширеним складом системи команд;
- складна система розпізнавання команди, що пов'язано з великою кількістю методів адресації та великою кількістю форматів команд різної розрядності;
- програмне дешифрування команд з метою зменшення затрат обладнання;
- складна організація конвеєризації виконання команд, що пов'язано, в першу чергу, з різнотипністю їх виконання;
- орієнтація структури на виконання команд типу регістр-пам'ять та пам'ять-пам'ять.
Основні елементи процесора - арифметико-логічний пристрій, пристрій керування і регістрова пам'ять або, як її ще називають, надоперативний запам'ятовуючий пристрій. До складу регістрової пам'яті, в свою чергу, входять наступні вузли - програмний лічильник, регістри: адреси, команди, даних, слова стану програми, а також регістровий файл, який складається з програмно доступних регістрів.
Структура регістрової (надоперативної) пам'яті процесора складається з регістрів спеціального та зального призначення. До регістрів спеціального призначення належать:
- регістри адреси (РгА);
- регістри команд (РгК);
- програмний лічильник (ПЛ)
- регістри даних (РгД).
РгА зберігає адресу даного або команди при зверненні до основної пам'яті. РгД зберігає операнд при його запису або зчитуванні з основної пам'яті. В ролі операнда може бути дане, команда або адреса. РгК зберігає команду після її зчитування з основної пам'яті. ПЛ підраховує команди та зберігає адресу поточної команди. Комп'ютер з архітектурою Джона фон Неймана має один програмний лічильник.
Більшість комп'ютерів мають в складі процесора тригери для зберігання бітів стану процесора, або, як їх іще називають, прапорців. Кожен прапорець має спеціальне призначення. Частина прапорців вказує на результати арифметичних і логічних операцій: додатній результат (Р), від'ємний результат (N), нульовий результат (Z), перенос (С), арифметичне переповнення (V), і т.д. В системі команд комп'ютера є команди, які вказують процесору коли встановити чи скинути ці тригери. Інша частина прапорців вказує режими захисту пам'яті. Існують також прапорці, які вказують пріоритети виконуваних програм. В деяких процесорах додаткові тригери служать для зберігання кодів умов, формуючи регістр кодів умов. Взяті разом описані прапорці формують слово стану програми (ССП), а відповідні тригери - регістр ССП. Регістри загального призначення (РЗП) є програмно доступними. Зазвичай їх називають регістровим файлом. Вони можуть використовуватись програмістом в якості регістрів для зберігання даних.
Різноманітність типів даних, форм представлення та опрацювання, необхідні дії для обробки та керування ходом виконання обчислень призводить до необхідності використання різноманітних команд - набора команд.
Кожен процесор має власний набір команд, який називається системою команд процесора.
Система команд характеризується трьома аспектами:
- формат,
- способи адресації,
- система операцій.
Форматом команди - є довжина команди, кількість, розмір, положення, призначення та спосіб кодування полів. Команди мають включати наступні види інформації:
- тип операції, яку необхідно реалізувати в даній команді (поле команду операції - КОП);
- місце в пам’яті звідки треба взяти перший операнд (А1);
- місце в пам’яті звідки треба взяти другий операнд (А2);
- місце в пам’яті куди треба помістити результат (А3).
Кожному з цих видів інформації відповідає своя частина двійкового слова - поле. Реальна система команд зазвичай має команди декількох форматів, тип формату визначає КОП.
Команда в комп'ютері зберігається в двійковій формі. Вона вказує тип операції, яка має бути виконаною, адреси операндів, над якими виконується операція, та адреси розміщення результатів виконання операції. Відповідно до цього команда складається з двох частин, коду операції та адресної частини.
КОП займає k розрядів. Ним може бути закодовано до N = 2k різних операцій. Кількість двійкових розрядів, які відводяться під код операції, вибирається таким чином, щоб ними можна було закодувати всі виконувані в даному комп'ютері операції. Якщо деякий комп'ютер може виконувати Nc різних операцій, то мінімальна розрядність поля коду операції k визначається наступним чином: k = [log Nc], де вираз в дужках означає заокруглення до більшого цілого.
Поле адреси (адресна частина) займає m розрядів. В ньому знаходяться адреси операндів. Кожна адреса займає mi розрядів, де і - номер адреси (і=1,2,. n), n - кількість адресних полів. Кожною адресою можна адресувати пам'ять ємністю 2nі слів.
Розмір команди k + m повинен бути узгодженим з розміром даних, тобто бути з ним однаковим або кратним цілому числу, що спрощує організацію роботи з пам'яттю. Як правило, розмір команди рівний 8, 16, 32 біти.
При написанні програми крім двійкової можуть використовуватись й інші форми представлення команд: вісімкова, шістнадцяткова, символьна (мнемонічна). Використання вісімкового і шістнадцяткового кодування дозволяє скоротити записи і спростити роботу програміста. Як відомо 3 двійкових розряди (тріада) замінюються на 1 вісімковий, а 4 двійкових розряди (тетрада) - на 1 шістнадцятковий. Приклад:
(000011111111) 2= (0377) 8= (0FF) 16;