На основании международного образовательного стандарта Computer Science был разработан стандарт СПбГУ с тем же названием. В дополнение к вопросам, обозначенным в международном стандарте, в этом курсе рассказывается о разработках кафедры и родственных ей IT предприятий в области создания новых архитектур ЭВМ и технологий их программирования. В курсе рассказывается о базовых понятиях архитектур ЭВМ (арифметико-логическое устройство, память, регистры, устройство управления, ввод/вывод), истории их создания, архитектурных способах ускорения ЭВМ (водопровод, RISC, спекулятивное исполнение, предсказание переходов, многопроцессорные и многомашинные архитектуры), о нетрадиционных архитектурах (систолические структуры, мобильные телефоны, встроенные системы реального времени). В теме «HLL компьютеры» подробно рассказывается о HLL компьютере "Самсон", разработанном под руководством автора этого курса. От слушателей курса не требуется начать программировать на машине "Самсон", гораздо более интересно обсудить, почему выбрана именно такая архитектура, такая система команд, какие предложены оптимизации, чем предлагаемые архитектуры лучше существующих. В заключение рассказывается о двух конкретных наиболее популярных архитектурах ЭВМ (самая старая из ныне живущих архитектур мейфрейм IBM/360 и наиболее массовая современная архитектура ARM). По завершении этого курса учащиеся будут: Уметь: - Разбираться в различных архитектурах ЭВМ, сравнивать их по длине кода, эффективность исполнения, оценивать сложность аппаратной реализации; - На основании знания внутренней структуры компьютера, устройства его кэш-памяти, знания реализации шин, уметь оптимизировать свои программы; - Спроектировать новую ЭВМ, хотя бы на бумаге. Знать: - Структурные схемы современных ЭВМ; - Способы аппаратной реализации основных элементов ЭВМ; - Принципы работы устройств ввода/вывода. Владеть: - Навыками ускорения программного обеспечения за счет знания внутренней организации кэш-памяти и шин; - Навыками ускорения ввода/вывода; - Способами рационального создания микропрограмм ЭВМ.
Системы и типы команд ЭВМ
Loading...
From the course by Saint Petersburg State University
Архитектура ЭВМ (Computer Architecture)
11 оценки
Meet the Instructors
Терехов Андрей Николаевичпрофессор
Кафедра системного программирования
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
Поговорим подробнее про системы и типы команд ЭВМ.
Современные ЭВМ имеют много регистров, это их главная особенность.
Регистр — это набор триггеров, который сидит прямо в процессоре,
потому доступ к нему очень быстрый, с тактовой частотой процессора.
А память, когда я был молодой, говорили, что она в четыре раза медленнее,
чем процессор, сегодня говорят, что в 15‒20 раз медленнее, чем процессор.
Поэтому чем больше регистров у машины, тем она быстрее, поскольку больше данных можно
разместить, часто используемых данных можно разместить в регистрах.
Команды в ЭВМ делятся по формату (например, регистр — регистр,
регистр — память, память — память) и по типу.
Первый тип — это работа с памятью: чтение, запись и семафорное чтение.
Надо вам сказать,
что двоичные семафоры реализуются сейчас не в процессоре, а в памяти.
То есть есть в памяти такая команда — семафорное чтение, в одном такте.
Принципиально: в одном такте читается байт,
и в этом же такте туда пишутся все единички.
На этой основе можно делать неделимое действие двоичный семафор,
а из него уже сделать и более сложные семафоры.
Итак, память: читать, писать — больше-то ничего и не надо.
Арифметические команды: плюс, минус, умножить, разделить, взять остаток.
Ну какие-то еще команды.
Логические команды: И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ.
Ну, такого сорта логические команды.
Команды передачи управления, я сейчас их разберу поподробней.
И обычно есть всего одна команда SIO — Start Input/Output — команда,
которая запускает операцию обмена.
У этой команды есть параметр номер канала, запускается соответствующий канал,
этот канал выполняет операцию обмена параллельно с работой процессора.
Потом выдает прерывание, и процессор получает управление обратно.
Итак, как устроены команды передачи управления?
Главная команда: Branch.
Это французское слово, надо говорить не «брэнч», а «бранч».
Branch и Label, метка — передать управление по адресу,
который указан вторым...
который указан параметром.
Бывает условная передача управления: Brach on condition.
Указывается какое-то условие, в разных машинах это условие создается совершенно
по-разному, и в этом курсе мы еще не раз к этому вопросу вернемся, но тем не менее.
Итак, условная передача управления — это просто команда Branch,
какое-то условие, по которому надо передать управление.
Если условие выполнено, то управление передается,
а не выполнено — проваливается на следующую команду.
И если уж говорить в терминах водопровода, то если произойдет передача управления,
то водопровод придется приостановить и разгонять заново,
с нужного адреса по метке Label.
А если передача управления не произойдет, а провалится на следующую команду,
то с водопроводом ничего плохого не случится, и он останется наполненным.
Механизм вызова подпрограмм.
Команда основная Branch And Link.
Значит, как она устроена.
Вот, ну допустим, в определенном ассемблере, скажем,
в IBM-овском: BAL R, Label.
В регистр R записан адрес следующей команды, чтобы можно было вернуться.
А управление передается по метке Label.
Вот поглядите на этот слайд, вот здесь схематически представлено.
Вот здесь идет сначала передача управления на подпрограмму, она исполняется,
а в конце подпрограммы стоит возврат по регистру R.
Здесь надо сказать несколько слов о технологии программирования,
а точнее, о соглашениях о связях.
Ведь внутри подпрограммы снова может быть вызов подпрограммы.
Поэтому при входе принято сохранять регистр,
ведь может быть испорчен не только регистр возврата, но и любой другой регистр.
Поэтому обычно в начале подпрограммы стоит групповая выгрузка всех регистров в
память, а в конце перед возвратом — групповая загрузка всех
регистров из памяти, восстановление их.
Кроме того, чтобы программу было легче сопровождать, читать,
принято выполнять и другое соглашение о связях.
Во многих системах есть традиция использовать определенный регистр для
возврата.
Скажем, в IBM — регистр 14.
Кстати, в самом последнем вопросе курса я буду рассказывать про архитектуру ARM,
там тоже 14-й регистр — это регистр возврата.
Так что это такая многолетняя традиция, с 64-го года.
Итак.
Команда Branch And Link понятна, передаем управление.
Адрес возврата запоминаем в следующем регистре.
Адрес следующей команды запоминаем в регистре,
а последняя команда подпрограммы — это возврат по регистру,
и вы возвращаетесь на следующую команду после команды BAL.
Таким образом устроены все подпрограммы.
В некоторых случаях надо прервать последовательное исполнение программы
и выполнить какое-то, резко выполнить другое действие.
Ну например, из-за каких-то ошибок: аварийная ситуация (деление на 0,
выход индекса за границу массива), завершение операции ввода/вывода,
в конце концов, завершение кванта времени, выделенного операционной системой.
В современных операционных системах применяется так называемая time sharing
system — система разделения времени.
То есть каждый из параллельных процессов получает определенный квант,
в течение которого работает, потом он должен сдать управление супервизору,
и супервизор даст квант времени другому процессу.
В результате у процессов создается иллюзия, что они работают параллельно,
хотя они работают на одном процессоре совершенно последовательно.
Тем не менее, можно создавать иллюзию у программиста, а это иногда очень важно,
например, для моделирования каких-то процессов,
что процессы протекают параллельно.
Так вот, истечение кванта времени — это тоже прерывание.
Как прерывания реализуются?
Каждое прерывание имеет свой номер.
Обозначим последний адрес памяти машины идентификатором K.
И вот тогда в адресе K, K − 1, K − 2, K − и т.д.
столько, сколько есть типов прерываний в этой машине,
стоят безусловные передачи управления.
Зачем?
И вот аппаратно работает так: прерывание аппаратно передает
управление на соответствующую ячейку памяти в конце памяти.
Соответственно ну если прерывание имеет номер i,
то передается управление на ячейку с адресом K − i.
А оттуда уже безусловная передача на обработчик.
Зачем это нужно?
Дело в том, что пытаются обеспечить определенную гибкость.
Вот само прерывание — это чисто аппаратная вещь,
делает сама машина, и операционная система здесь ни при чем.
Но можно было бы зафиксировать все эти адреса, где там обрабатываются прерывания.
Но тогда бы нельзя было бы подменить программу обработки прерываний,
а это неудобно.
Поэтому вот такая косвенность нужна для того,
чтобы операционная система по команде пользователя назначила адреса,
назначила какие-то обработчики прерывания для каждого прерывания, и тогда
поставится команда безусловной передачи управления каждая на свой обработчик.
И в любой момент пользователь может подменить программу обработки прерывания,
заменив буквально одну команду в передаче безусловного прерывания, вот в K − i.
Вот такая вещь обеспечивает какую-то гибкость.
Я вам сейчас рассказал довольно кратко основные команды.
Вот, ну понятно, как они работают.
Дальше будут приведены примеры конкретных команд, но я хотел бы,
чтобы были по крайней мере основные понятия введены в этом месте.
Регистры — их вы всегда должны помнить, что они во много раз быстрее, чем память,
команды передачи управления, команды передачи управления условные,
с возвратом и прерывания.
Я считаю, что это дает основное представление о том, как, какие действия
может выполнять современная ЭВМ.
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2018 Все права защищены.
