Организация цифровых вычислительных машин
Организация цифровых вычислительных машин: Краткий обзор
Данное учебное пособие, предназначенное для студентов второго курса бакалавриата по направлению "Математика и компьютерные науки", представляет собой введение в организацию цифровых вычислительных машин (ЦВМ). Курс охватывает основы архитектуры ЦВМ и программирования микроконтроллеров, рассматривая особенности архитектур CISC и RISC, взаимодействие с периферийными подсистемами, организацию вычислительного процесса и специализированные аппаратные и программные средства для встроенных применений.
Обзор предметной области и ключевые понятия
В начале пособия рассматривается структура данных, включая целые и вещественные числа, тексты и изображения, а также их представление в ЦВМ. Подчеркивается многоуровневая организация вычислительной техники, от проблемно-ориентированных языков высокого уровня до аппаратного уровня, с акцентом на интерфейсы и внутреннее устройство. Обсуждаются способы оценки производительности, включая тактовую частоту, время выполнения команд и бенчмарки, а также основные соотношения для экстенсивного увеличения скорости, такие как зависимость времени переключения от проектных норм и потребляемой мощности. Рассматриваются принципы распараллеливания вычислительного процесса на разных уровнях, от сетей ЦВМ до конвейерной структуры процессора. В заключение раздела дается классификация ЦВМ по классам (универсальные, управляющие, супер-ЭВМ) и рассматриваются особенности управляющих встроенных применений, включая требования к надежности, реальному времени и автономному питанию.
Процессор, его регистровая модель и система команд
Основное внимание уделяется процессору как центральному узлу ЦВМ, включая его компоненты: устройство управления, устройство вычисления адресов, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и регистры. Рассматривается структура машинной команды, включая код операции (КОП) и адресную часть, а также структура команды во времени, с выделением этапов выборки, декодирования, вычисления адреса, выборки операнда, исполнения и записи результата. Подробно анализируется понятие системы команд процессора, включая мнемоники, способы адресации, действие команд на флаги и формат команд. Рассматриваются команды копирования, арифметические, логические, сдвигов, проверок и передачи управления, а также команды ввода-вывода и системные команды.
Способы адресации в цифровом компьютере
В заключительной части пособия рассматриваются способы адресации, включая кодирование местоположения операндов, синтаксис языка Ассемблера и алгоритмы вычисления исполнительного адреса. Обсуждаются функции способов адресации и механизмы трансляции адреса, а также требования к механизмам преобразования адреса, такие как удобство вычисления логических адресов, перемещаемость программных модулей и поддержка многозадачности. В конце раздела кратко описываются элементы синтаксиса языков Ассемблера, включая структуру ассемблерной инструкции, мнемонические обозначения команд и условные обозначения операндов.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО А. П. Новицкий Л. М. Курочкин ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН Учебное пособие Санкт-Петербург 2019 ПОЛИТЕХ-ПРЕСС Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
ББК 32.971.32-02я73 Н73 Р е ц е н з е н т ы: Канд. техн. наук, доцент факультета систем управления и робототехники университета ИТМО С. А. Чепинский Канд. техн. наук, директор высшей школы программной инженерии СПбПУ П. Д. Дробинцев Новицкий А. П. Организация цифровых вычислительных машин : учеб. пособие / А. П. Новицкий, Л. М. Курочкин. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. – 48 с. Учебное пособие используется при изучении дисциплин «Основы архитектуры ЦВМ» и «Программирование микроконтроллеров». В рамках курсов рассматриваются особенности: CISC, RISC архитектур процессоров; работы и взаимодействия с периферийными подсистемами компьютера; изучаются: способы организации взаимодействия периферийных подсистем компьютера и вычислительного ядра; способы организации вычислительного процесса; изучение дисциплин способствует получению представления о специализированных аппаратных и программных средствах, ориентированных на встроенные применения. Предназначено для студентов 2-го года обучения бакалавриата по направлению подготовки 02.03.01 «Математика и компьютерные науки». Табл. 1. Ил. 8. Библиогр.: 2 назв. Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого © Новицкий А. П., Курочкин Л. М., 2019 © Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019 doi:10.18720/SPBPU/2/ id19-139 ISBN 978-5-7422-6582-5
A.P. NOVITSKII L.M. KUROCHKIN ORGANIZATION OF DIGITAL COMPUTER MACHINES Training manual Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation PETER THE GREAT ST. PETERSBURG POLYTECHNIC UNIVERSITY A. V. Rubtsova PRODUCTIVE COMMUNICATION PRACTICE Study guide Saint-Petersburg 2019 Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University POLYTECH-PRESS Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University POLYTECH-PRESS
P e e r r e v i e w e d b y: PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Faculty of Control Systems and Robotics, ITMO University S.A. Chepinskiy PhD in Engineering Science, Director of SPbPU Higher School of Software Engineering P.D. Drobintsev Novitskii A.P. Organization of Digital Computer Machines: training manual / / A.P. Novitskii, L.M. Kurochkin. – St.Petersburg: POLYTECH-PRESS, 2019. – 48 p. The training manual is aimed at studying the following courses: “Architectural framework of DVR” and “Programming of Microcontrollers”. Courses consider the following peculiarities of CISC, RISC processor architecture, works and interactions with peripheral subsystems of the computer. The manual considers the ways how to organize interaction between the peripheral subsystem and the computational core; to study computing arrangements. Learning these courses contributes to acquiring knowledge about specialized hardware and software intended for embedded implementation. The training manual is intended for the second-year students of the Bachelor’s degree program in the major 02.03.01 “Mathematics and Computer Science”. Table 1. Figures 8. References: 2 titles Printed by the Publishing Council of the Peter the Great St. Petersburg polytechnic university Academic Council © Novitskii A.P., Kurochkin L.M., 2019 © Peter the Great St. Petersburg polytechnic university, 2019 ISBN 978-5-7422-6582-5 doi:10.18720/SPBPU/2/id19-139
ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Обзор предметной области и определение ключевых понятий ........... 7 Виды данных ........................................................................................ 7 Форма представления данных в цифровой вычислительной машине ................................................................................................. 8 Многоуровневая организация средств цифровой вычислительной техники ................................................................................................. 9 Способы оценки производительности средств вычислительной техники ................................................................................................10 Основные соотношения для экстенсивного увеличения скорости ..............................................................................................11 Распараллеливание вычислительного процесса ...............................14 Основные классы цифровой вычислительной техники/ вычислительной системы ...................................................................15 Задачи управления объектами и использование для этих целей средств цифровой вычислительной техники .....................................16 Особенности управляющих встроенных применений .....................17 Эволюция развития больших интегральных схем для построения цифровых устройств ...........................................................................18 Способы реализации цифровых устройств управления ...................19 Однокристальные микроконтроллеры и общие сведения о реализации и применении...............................................................20 2. Процессор, его регистровая модель, понятие системы команд процессора ................................................................................................22 Структура машинной команды «в пространстве» .............................24 Структура команды во времени .........................................................27 Система команд процессора ..............................................................31 Команды копирования (пересылки) .................................................35 Команды обработки ...........................................................................35 3. Способы адресации в цифровом компьютере ....................................40 Функции способов адресации и механизма трансляции адреса ..... 44 Элементы синтаксиса языков Ассемблера ........................................45 Библиографический список ....................................................................47
Похожие