Architektura komputerów - eletel.p.lodz.pl · Architektura komputerów, część 4 5 Adresowanie...

Prezentacja multimedialna

współfinansowana przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

w projekcie

„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń

– zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej –

zarządzanie Uczelnią,

nowoczesna oferta edukacyjna

i wzmacniania zdolności do zatrudniania

osób niepełnosprawnych”

90-924 Łódź, ul. Żeromskiego 116, tel. 042 631 28 83 www.kapitalludzki.p.lodz.pl

Dr inż. Małgorzata Langer

Zadanie nr 30 – Dostosowanie kierunku Elektronika i Telekomunikacja

do potrzeb rynku pracy i gospodarki opartej na wiedzy

Architektura komputerów

Wykład jest przygotowany dla IV semestru

kierunku Elektronika i Telekomunikacja.

Studia I stopnia

Prezentacja multimedialna współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Architektura komputerów, część 4

2

• Elementy komputera (sprzętu)

Podstawowa architektura prostego komputera (ASC)

Konsola

Jednostka

sterująca

Jednostka

arytm./

logiczna

Rejestr adresów

pamięci (MAR)

Licznik programu

(PC)

Rejestr akumulatora

(ACC)

Pamięć

Rejestr bufora pamięci

Rejestry indeksowe Rejestr instrukcji (IR)

Rejestr stanu

procesora



3

ORGANIZACJA KOMPUTERA

• Definicja podstawowych funkcji

komputera; dyskusja o formacie i

sposobach wykonywania instrukcji,

adresowaniu, wywoływaniu

powtarzających się podprogramów,

przechowywaniu i dostępie do

danych, wykonywaniu programów

użytkowych i innych; znaczenie

programu operacyjnego



4

Zasada działania ASC

• Program jest przechowywany w pamięci

• Instrukcja pobierana jest z pamięci do jednostki sterującej i wywoływane przez nią operacje są wykonywane

• Licznik programu zawiera adres instrukcji, która ma być pobrana z pamięci (zwiększany jest przez jednostkę sterującą przy końcu procedury pobrania instrukcji)

• Instrukcja pobierana jest do Rejestru Instrukcji (IR)

• Układy dołączone do IR (hardware) dekodują instrukcję i generują odpowiednie sygnały sterujące do wykonania operacji

• ACC (Rejestr akumulatora) zbiera wyniki operacji logicznych i matematycznych

• Rejestry indeksowe pomagają w manipulacji adresami

• PSR wskazują status ACC, przeniesienie, nadmiar, pozwolenie na przyjęcie przerwania



5

Adresowanie pamięci - słowo

• Słowo pamięci to najczęściej zapisywana i pobierana jednostka

danych.

• Mogą być słowa 8, 16, 32, 64 bitowe; używane są również 6 i 36

bitowe

• Można adresować połówki i ćwiartki słów oraz wielokrotności

(podwójne i poczwórne słowa)

• Długość słowa adresującego pamięć implikuje ilość pojedynczych

słów, które możemy zaadresować, np. przy 16 bitowym słowie,

będzie to 216 = 65536 czyli 64K słów; przy 32 bitowym – 232 ale

przy 8 bitowym – jedynie 28 = 256



6

Format danych i instrukcji

• W ASC pamięć jest matrycą słów, np. 16-bitowych, przy czym każde słowo („wiersz matrycy”) może być albo daną, albo instrukcją. Interpretacja zależy od kontekstu.

• Format danych – np. stałopozycyjna arytmetyka (sposoby zapisu były omawiane wcześniej)

• Format instrukcji: Opcode – flags (indirect, index) – Address

• OPCODE – kod danej operacji, którą „potrafi” wykonać sprzęt (tzw. primitive)

• Indirect flag – (pośredni wskaźnik) – ustawiony na 1, jeżeli będzie adresowanie pośrednie, 0, jeżeli bezpośrednie

• Index flags – wybierają jeden z indeksowych rejestrów przy indeksowanych adresach, lub jeżeli instrukcja przywołuje indeksowy rejestr



7

Format instrukcji

• Ilość bitów w części adresowej instrukcji wyznacza obszar pamięci,

w którym muszą się znaleźć instrukcje programu

• Ze względu na to, czy instrukcje są wykonywane bez pobierania

danych, z pobraniem jednego adresu lub więcej, rozróżnimy trzy

klasy formatów.

• PRZYKŁADY INSTRUKCJI PODAWANE SĄ Z ZAKRESU HDL

• Bez adresu – np. HLT (stop)

W części Opcode jest całkowita instrukcja. HLT wskazuje logiczny

koniec programu i zatrzymuje maszynę przed pobieraniem

następnej instrukcji (nawet, gdyby takie były)

• Inne przykłady, to SHL (shift left), SHR (shift right), TCA –

uzupełnienie do 2; te operacje są wykonywane na zawartości ACC



8

Klasy instrukcji – c.d.

• Instrukcje z jednym adresem – podają lokalizację w pamięci, która

zostanie użyta razem z ACC w danej instrukcji, np. LDA (ładuj -

load); format instrukcji: LDA MEM ACC (z zawartości adresu MEM

pobierz zawartość do ACC; zawartość pamięci nie zmieni się)

• Inne przykłady: STA (zapisz – store – zawartość ACC pod

wskazany adres; nie zmieniaj zawartości ACC), ADD (dodaj

zawartość pamięci do ACC; zawartość pamięci nie zmieni się)

• BRU – instrukcja skoku bezwarunkowego do adresu...

BIP – instrukcja warunkowa (IF - jeżeli)

• Instrukcje z dwoma adresami – typu input/output – RWD – (czytaj

z urządzenia wejściowego i zapisz do ACC – zawartość poprzednia

zostanie utracona), WWD – zapisz do urządzenia wyjściowego,

zawartość ACC (nie zmieni się)



9

Tryby adresowania

• Tryby adresowania zależą od języka programowania oraz struktury

danych, które stosowane są w maszynie. Zostaną omówione szerzej

przy omawianiu dostępu do pamięci.

• Adresowanie może być bezpośrednie (Direct), lub indeksowane

(indexed)

• Na przykładzie instrukcji „load” LDA MEM ACC (z zawartości adresu

MEM pobierz zawartość do ACC; zawartość pamięci nie zmieni się)

• LDA Z – pobierz dane z efektywnego adresu Z

LDA Z, 2 – pobierz dane spod adresu: Z + rejestr indeksowany, czyli

z rejestru o numerze 2

Jeżeli w rejestrze nr 2 będzie zapisana np. wartość ‘4’, to do

akumulatora zostanie wpisana wartość spod adresu Z+4

• Zawartość indeksowanego rejestru może rozszerzyć obszar pamięci



10

Rozszerzenie obszaru pamięci

• Załóżmy, że długość rejestru Z wynosi 8 bitów; wtedy zakres

adresowania pamięci wynosi 256 możliwych lokalizacji

• Jeżeli offset, czyli rejestr indeksowany będzie miał 16 bitów –

efektywny adres będzie mógł być z zakresu 64K

• Przy programowaniu można zmieniać zawartości indeksowanych

rejestrów, dynamicznie zmieniając adresowanie pamięci

• Tryb indeksowy wykorzystywany jest zawsze przy odwoływaniu się

do elementów tablic (pole adresowe instrukcji wskazuje pierwszy

element, a następne wskazywane są poprzez zwiększanie rejestru

indeksowanego)



11

Adresowanie pośrednie

• LDA*Z – gwiazdka po instrukcji wskazuje na adresowanie

pośrednie

• Zawartość pola o adresie Z wskazuje adres, gdzie znajduje się

dana, która ma zostać wpisana do akumulatora

• Również adresowanie pośrednie może służyć do rozszerzenia

zakresu adresowania pamięci

• Przy programowaniu wykorzystywane ze wskaźnikiem (pointer),

który może wskazywać różne zakresy danych



12

Jednoczesne użycie adresowania pośredniego i indeksowanego

• LDA*Z,2

• Logicznie:

– można wykonać wpierw indeksowanie (czyli „przesunąć” adres Z)

a potem adresowanie pośrednie

(z obliczonego adresu pobrać adres danej do umieszczenia

w akumulatorze) – tzw.: Preindexed-Indirect

– można wykonać wpierw adresowanie pośrednie (pobrać adres

danej) a później indeksowanie (czyli obliczyć nowy adres) – tzw.:

Postindexed-Indirect

• Dana implementacja umożliwia JEDEN sposób



13

Język maszynowy

• Używane są wyłącznie ciągi zer i jedynek. Adresowanie jest

wyłącznie bezpośrednie

• Praktycznie nie jest możliwe (a przynajmniej stosowane)

bezpośrednie pisanie programu w takiej postaci – ale do takiej

postaci program zostanie „przetłumaczony”

• Do tłumaczenia służą asemblery i kompilatory, które

przekształcają programy pisane w asemblerze lub językach

wyższego poziomu na język maszynowy

• W przeszłości były używane języki interpretowane (Basic), gdzie

„Interpretator” przekształcał na język maszynowy linijka po linijce –

podczas wykonywania programu



14

Asembler

• Składa się z sekwencji instrukcji kodowanych tzw. Mnemonikami

oraz adresów.

• Każda instrukcja składa się z 3 lub 4 pól:

- label (etykieta)

- mnemonic (standardowy trzyliterowy ciąg liter wskazujący na

instrukcję; gwiazdka, jako czwarty znak wskazuje na pośrednie

adresowanie)

- operand (zawiera absolutny lub symboliczny adres; jeżeli

występuje adresowanie z rejestrem indeksowanym, to umieszcza

się go po przecinku)

- komentarze (pole opcjonalne, zaczyna się od kropki i asembler

ignoruje to pole)



15

Etykieta

• Ciąg znaków alfanumerycznych

• Etykieta jest symboliczną nazwą, wskazującą lokalizację w pamięci,

gdzie znajduje się sama instrukcja

• Nie trzeba nadawać etykiety dla każdej instrukcji, tylko dla takich,

które wywoływane są wielokrotnie z wnętrza programu

• Pierwszy znak musi być literą lub gwiazdką

• „*” (gwiazdka) na początku oznacza, że cała instrukcja jest tylko

komentarzem (nie będzie wykonywana)



16

Instrukcje i pseudoinstrukcje

• Instrukcja jest wykonywalna (executable instruction); asembler

generuje dla każdej instrukcji w asemblerze – instrukcję w języku

maszynowym

- wszystkie podane wcześniej przykłady instrukcji

• Pseudoinstrukcja, (lub dyrektywa dla asemblera – assembler

directive) służy do sterowania procesem, zarezerwowania pamięci,

ustalenia stałych – nie powstaje dla niej instrukcja w języku

maszynowym; najczęściej umieszcza się pseudoinstrukcje na

początku programu

- np. Z BSS 5 (block storage starting - rezerwuje 5 lokalizacji

poczynając od pierwszego adresu o nazwie Z)



17

Proces wykonywany przez asembler

• Asembler musi spełnić dwie funkcje:

- wygenerować adres dla każdej symbolicznej nazwy w programie

źródłowym

- wygenerować ekwiwalent w kodzie binarnym dla każdej instrukcji

• Proces asemblera zwykle dokonywany jest w dwóch przejściach:

- pierwsze przejście dla zabezpieczenia lokalizacji pamięci dla

każdej symbolicznej nazwy użytej w programie

- w drugim przejściu wpisane są rozwiązania dla wszystkich

odwołań do tych nazw

• Jeżeli wszystkie nazwy muszą zostać zadeklarowane przed

odwołaniem – wystarcza jedno przejście



18

Ładowanie programu

• Kod wynikowy (object code) musi zostać załadowany do pamięci

maszyny, zanim zostanie wykonany

• Dokonuje tego loader (zapisany na stałe znacznik, wskazujący na

początkowy adres programu, lub inicjujący jego wczytanie

z urządzenia zewnętrznego)



19

Podprogramy (subroutines)

• Jest to część kodu większego programu, która wykonuje szczególne

zadanie i jest niezależna od kodu pozostałego

• Niektóre języki (np. Pascal, Fortran) rozróżniają funkcje (zwracają

wartość) i procedury (nie zwracają wartości)

Inne (np. C lub LISP) traktują wszystkie podprogramy jednakowo

• Wywołanie podprogramu oznacza skok do pierwszej instrukcji

podprogramu (instrukcja JMP).

• Zakończenie podprogramu skutkuje powrotnym skokiem do tego

samego punktu w programie, z którego był wywołany podprogram

(powrót)

• Ponieważ ten sam podprogram może być wywoływany w danym

programie wiele razy – adres powrotu (return address) musi być

zapisany w pamięci



20

Podprogramy – c.d.

• Możliwe jest zagnieżdżanie podprogramów (nested call) – czyli

podprogram wywołuje kolejny podprogram) – trzeba zabezpieczyć

wtedy pierwotny adres powrotu przed utraceniem; adresy powrotu

składowane są najczęściej na stosie, co umożliwia „odtworzenie”

całej sekwencji zagnieżdżania

• Podprogramy mogą potrzebować dodatkowych danych,

przygotowywanych wcześniej przez główny program oraz

przekazywać przetworzone dane do programu. Należy

zabezpieczyć prawidłowe zawartości akumulatora i rejestrów przed

wywołaniem podprogramu a później przed skokiem powrotnym

(również wykorzystuje się tu stos).



21

Makroinstrukcje

• Jest to grupa instrukcji, która zostaje zakodowana tylko raz i później,

w programie, może być używana tyle razy, ile potrzeba

• Inaczej niż podprogramy – wywołanie makro skutkuje

podstawieniem grupy instrukcji, które składają się na makro. Nie ma

skoku.

• Można przekazywać parametry do makro-instrukcji; przy

podstawieniu instrukcji, każdy parametr zostanie zastąpiony

wartością z wywołania



22

Przykład makroinstrukcji

• Makroinstrukcja o nazwie DOD, która doda wartości A i B i umieści je w C (czyli A, B, C – są parametrami) MACRO DOD (A, B, C) LDA A ADD B STA C ENDM

• Wywołanie tej makroinstrukcji w programie będzie miało postać: DOD(X, Y, Z)

• Asembler zastąpi DOD trzema instrukcjami, które się na tę makro-instrukcję składają; po asemblacji, A, B i C nie są już widoczne (program widzi tylko X, Y, Z)



23

Linker

• W praktyce program będzie się składał z programu głównego i kilku podprogramów (modułów).

• Moduły mogą pochodzić albo z wcześniej zdefiniowanej biblioteki, albo być przygotowane dla danej, szczególnej aplikacji

• Moduły tłumaczone są na kod maszynowy niezależnie od głównego programu

• Podczas asemblacji program łączący (linker) wstawia kod maszynowy danego modułu do danego pojedynczego programu głównego

• Linker musi rozwiązać odwołania do symboli i zastąpić je właściwymi adresami

• Często linker musi również zmienić wartości adresów skoków, zapamiętywania, ładowania oraz zadbać, aby poszczególne podprogramy nie nakładały się na siebie



24

Łączenie dynamiczne

• Dopiero załadowanie programu będzie dokonywało ostateczego

łączenia. Wcześniej, program będzie zawierał niezdefiniowane

symbole i listę modułów i/lub bibliotek

• Oszczędzamy miejsce (często używane moduły są składowane raz,

nie są częścią zapisanych programów – co znacznie zwiększałoby

ich wielkość)

• Możemy wymieniać poszczególne moduły lub biblioteki (również

poprawiać znajdujące się w nich błędy) i nic nie zmieniać

w programach

• W Microsoft Windows – dynamically linked libraries – to DLL



25

Łączenie dynamiczne – c.d.

• Większość systemów opartych na Unixie posiada „search path”,

która podaje katalogi systemowe, w których należy szukać bibliotek

dynamicznych

• Niektóre systemy podają ścieżki w pliku konfiguracji

• W niektórych na trwale zapisane są adresy w programie ładującym

(loader)

• API (application program interface) – linker działający w momencie

wywołania przez aplikację (stosowane we wszystkich

współczesnych systemach operacyjnych)

• Wada łączenia dynamicznego – jeżeli zostanie dokonana

nieodpowiedzialna zmiana w przechowywanych bibliotekach –

programy lub cały system przestaną działać.



26

System operacyjny

• Z perspektywy komputera jest to program najbliżej powiązany ze

sprzętem – dystrybutor zasobów (resource allocator)

• Jest to program sterujący (control program) – nadzorujący

działanie programów uzytkownika oraz obsługą i kontrolą pracy

urządzeń wejścia – wyjścia

• System operacyjny, jest to ten program, który działa w komputerze

przez cały czas i nazywany jest jądrem (kernel)

• W 1998 roku rozpoczął się pierwszy (do dzisiaj było już ich wiele)

proces przeciwko Microsoft o zaliczanie zbyt wielu funkcji

komputera do systemu operacyjnego i uniemożliwienie tym samym

konkurencji ze strony dostawców aplikacji (programów użytkowych)



27

System operacyjny – definicje zadań

• Celem systemu operacyjnego jest wygoda użytkownika

• Celem OS jest zapewnienie wydajnego działania systemu

komputerowego

• Są to często sprzeczne ze sobą wymagania

• Systemy operacyjne i architektura komputerów wywarły i wywierają

na siebie wzajemny wpływ

• Znaczący wpływ na rozwój OS wywarły sieci komputerowe,

wprowadzając sieciowe systemy operacyjne (NOS – network

operating system)



28

Program rozruchowy

• Bootstrap program – wstępny program potrzebny, aby komputer

mógł rozpocząć pracę (po włączeniu do zasilania). Określa on stan

początkowy wszystkich elementów systemu, poczynając od

rejestrów jednostki centralnej, poprzez sterowniki urządzeń, aż po

zawartość pamięci

• Musi „wiedzieć”, jak załadować system operacyjny i rozpocząć jego

działanie – musi zlokalizować i wprowadzić do pamięci jądro

systemu operacyjnego; OS rozpoczyna wówczas wykonanie

pierwszego procesu (w Unixie jest to INIT) i zaczyna czekać na

wystąpienie jakiegoś zdarzenia.

• Przechowuje się go w pamięci stałej, tylko do odczytu (ROM – read

only memory), aby nie mógł zostać skasowany

Prezentacja multimedialna

współfinansowana przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

w projekcie

„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń

– zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej –

zarządzanie Uczelnią,

nowoczesna oferta edukacyjna

i wzmacniania zdolności do zatrudniania

osób niepełnosprawnych”

90-924 Łódź, ul. Żeromskiego 116, tel. 042 631 28 83 www.kapitalludzki.p.lodz.pl

Dr inż. Małgorzata Langer

Zadanie nr 30 – Dostosowanie kierunku Elektronika i Telekomunikacja

do potrzeb rynku pracy i gospodarki opartej na wiedzy

Architektura komputerów

KONIEC CZĘŚCI CZWARTEJ

Architektura komputerów - eletel.p.lodz.pl · Architektura komputerów, część 4 5 Adresowanie...

Documents

Transcript of Architektura komputerów - eletel.p.lodz.pl · Architektura komputerów, część 4 5 Adresowanie...