recapitulare - cs.ucv.ro 12-recapitulare.pdf · pc decodificator opcode rf ri ra calcul ae...

Arhitectura

Calculatoarelor

Cătălina Mancaș Dan Mancaș

[email protected] [email protected]

Universitatea din Craiova

Facultatea de Automatică, Calculatoare și Electronică

Catedra de Ingineria Calculatoarelor și Comunicații

Recapitulare

ARHITECTURA CALCULATOARELOR – Recapitulare

Cursuri

Curs 1: Reprezentarea numerelor negative;

Curs 2: Forme de reprezentare a informației 1;

Curs 3: Forme de reprezentare a informației 2;

Curs 4: Concepte fundamentale 1;

Curs 5: Concepte fundamentale 2;

Curs 6: Calculatorul elementar didactic;

Curs 7: Tehnici de adresare a memoriei;

Curs 8: Organizarea ierarhică a structurilor de calcul;

Curs 9: Structuri de interconectare. Criterii de clasificare;

Curs 10: Nivelul limbajului cod-mașină;

Curs 11: Stiva.

2

http://software.ucv.ro/~aion/index.html


Curs 1: Reprezentarea numerelor negative

Complementul; metode de calcul;

Coduri speciale pentru reprezentarea numerelor negative;

Deplasarea numerelor binare cu semn.

3

Coduri: Direct; Complementar; Invers.



Curs 2: Forme de reprezentare a informației 1

Două moduri:

4

Noțiuni fundamentale: UIA; Octet (byte); Semicuvântul (2 octeți); Cuvântul (4 octeți); Dublu-cuvântul (8 octeți).

Reprezentare: externă;

internă:

naturală (în virgulă fixă-FXP); normală (în virgulă mobilă-FLP).

Analiza comparativă a erorilor de reprezentare în FXP și FLP.



Curs 3: Forme de reprezentare a informației 2

Reprezentarea informației în calculatorul digital;

Calculatoarele prelucrează:

– informaţie numerică;

– informaţie alfanumerică: litere, semne de punctuaţie, semnearitmetice, caractere speciale etc.

=> coduri alfanumerice;

Condiții pentru codurile alfanumerice;

ASCII-7

Coduri ASCII-8

Alfanumerice EBCIDIC

UNICODE

5



Curs 4: Concepte fundamentale 1

Structura unui calculator și modul de funcționare;

Noțiuni fundamentale:– Calculatorul digital: definiții;– Principiul comenzii după program principiul von Neumann;– Proceduralitatea;– Principiile von Neumann (5).

Structura de bază a calculatorului digital (cf. principiilorvon Neumann): structura în 5 unități:

1. Unitatea de Intrare (UI) – Input Unit (IU);

2. Unitatea Logico-Aritmetică (ALU) – Arithmetic and Logic Unit;

3. Unitatea de Memorie (UM) – Memory Unit (MU);

4. Unitatea de Ieşire (UO) – Output Unit (OU);

5. Unitatea de Control (UC) – Control Unit (CU).

Funcționarea calculatorului digital.

6


ARHITECTURA CALCULATOARELOR – Recapitulare 7

Flux de date

Comenzi sau linii de control

Informatii de stare sau linii de stare

Flux de date alternativ

Flux de instructiuni

CPU

Date de

intrare si

programe

Unitatea

Logico-

Aritmeticã

(ALU)

Unitatea de

Intrare

(UI)

Unitatea de

Iesire

(UO)

Unitatea de

Control

(UC)

Unitatea de

Memorie

(UM)

Date de iesire

sau rezultate

DMA DMA

DateInstructiuni

Flux de date


Flux de instrucțiuni

Linii de control

Linii de stare

= ALU + UC

Curs 4: Structura de bază a unui calculator


Flux de date





Flux de date



Linii de control

Linii de stare

8

Date de

intrare si

programe

Unitatea

Logico-

Aritmeticã

(ALU)

Unitatea de

Intrare

(UI)

Unitatea de

Iesire

(UO)

Unitatea de

Control

(UC)

Memorie

Superoperativa

(MSO)

CPU

Date de iesire

sau rezultate

DMA DMA

DateInstructiuni

Memorie

Operativa

(MO)

Memorie

Secundara

(MS)

Date

Date

Unitatea Centrala

MP

Curs 4: Structura de bază a unui calculator


Curs 4: Ciclul instrucțiune

Ansamblul de operaţii legate de realizarea unei instrucţiuni.

Faze pentru execuţia unei instrucţiuni:

– FETCH: Citirea instrucţiunii cod maşină din memorie şi

tranferarea ei în CPU;

– EXECUTE: Executarea instrucţiunii de către unităţile

funcţionale ale calculatorului (în special de ALU), adică

generarea rezultatului.

Aceste faze se execută repetat în timpul rulării unui program;

O secvenţă FETCH-EXECUTE formează ciclul instrucţiune;

Fazele FETCH și EXECUTE sunt formate din mai multe subfaze.

9



Curs 4: Ciclul instrucțiune: Faze și subfaze

10

FETCH

INSTRUCTION

Stocarea

instructiunii in RF

si RA

Decodificare

OPCODE

Generare adresa

urmatoarei

instructiuni

Calculul adresei

operandului

FETCH DATA

EXECUTE

propriu-zis

Stocarea

rezultatului

Fa

za F

ET

CH2

3

4

5

6

7

8

Fa

za E

XE

CU

TE C

ICL

UL

IN

ST

RU

CT

IUN

E

1


Curs 5: Concepte fundamentale 2

Structura generală a unui CPU;

Tehnici de echilibrare a vitezei de funcționare CPU-MP;

Organizarea avansată a comunicării CPU:

– echipamente periferice;

– unități I/O;

– procesoare I/O.

11



Structura de bază a unui CPU

12

Flux de date





CPU

Date de

intrare si

programe

Unitatea

Logico-

Aritmeticã

(ALU)

Unitatea de

Intrare

(UI)

Unitatea de

Iesire

(UO)

Unitatea de

Control

(UC)

Unitatea de

Memorie

(UM)

Date de iesire

sau rezultate

DMA DMA

DateInstructiuni

Flux de date



Linii de control

Linii de stare

= ALU + UC


Structura generală a unui CPU

13

UC

Dispozitiv de procesare

R1

R2

R2

k

DEC

k/2k

Registre generale

Reg. Stare

ACC

Reg. Op.

ALU

Bloc de Procesare

Bloc

Secventiator

de Control

PC

Decodificator

OPCODE

RF

RI

RA

Calcul AE

Generator

de tact

incr.

Operatie

decodificata

Adresa

Operand

Adresa

Instructiune

Bloc de

Instructiune

Unitate

Buffer/DriverMagistrala

Sistem

Bloc de

Adresa

Magistrala Interna de Adrese

Magistrala Interna de Date

Linii interne de Stare

Linii interne de Control

Linii de

Control


CPU = ALU + UC

14


ALU:

– un set de registre generale memoria locală;

– un bloc de procesare.

Memoria locală:

– R1, R2…;

Blocul de procesare:

– un dispozitiv de procesare: ce implementează operaţii logice

şi aritmetice;

– registrul acumulator (ACC);

– registrul buffer (tampon): pentru memorarea celui de-al

doilea operand (Reg. Op.);

– registrul de stare sau de flaguri (Reg. Stare).

15

CPU = ALU + UC



UC: 3 blocuri:

Blocul de instrucţiune:

– numărătorul de program (PC);

– registrul de instrucţiune (RI);

– registrul de funcţie (RF);

– decodificatorul de OPCODE.

Blocul de adresă:

– registrul de adresă (RA): stocarea adresei logice (AL);

– un dispozitiv de calcul al adresei efective (AE) din AL.

Blocul secvenţiator de control:

– generează toate comenzile către toate celelalte blocuri aleCPU și unităţi ale calculatorului;

– în vederea realizării funcţiei instrucţiunii curente;

– primeşte informaţii de stare de la toate blocurile.

16

CPU = ALU + UC



Memoria: structură ierarhică;

Memoria secundară (externă);

– programele şi datele care nu se prelucrează curent de CPU;

– offline;

– capacitate mare;

– timp de acces mare şi mediu.

Memoria principală (operativă);

– conţine programele şi datele prelucrate curent de CPU;

– online;

– se extrag instrucţiunile şi datele curente ce se executa în CPU.

Memoria locală;

– este formată dintr-un set de registre plasate în CPU;

– cea mai rapidă memorie din ierarhie.

17

Memoria



MS

Nivel III

MP Nivel II

ML Nivel I

CPU

Memoria

Viteza

crește

Capacitatea

crește

Conflict: viteza MO << viteza CPU


3 metode:

1) Lărgirea magistralei de date;

2) Creşterea numărului de nivele în ierarhia memoriei;

3) Preîncărcarea instrucţiunilor (prefetching).

19

Tehnici de echilibrare a vitezei CPU-MP



3 metode:

1) Lărgirea magistralei de date;

20


MP

Magistrala de date

CPU <-

mai multe instrucțiuni

MP

Magistrala de date

CPU<-1 instrucțiune



3 metode:

2) Creşterea numărului de nivele în ierarhia memoriei;

Idee: introducerea unui nivel suplimentar între MP(MO) şi CPU;

MSO: Memoria Super Operativă Memoria Cache

21




Flux de date





Flux de date



Linii de control

Linii de stare

22

Date de

intrare si

programe

Unitatea

Logico-

Aritmeticã

(ALU)

Unitatea de

Intrare

(UI)

Unitatea de

Iesire

(UO)

Unitatea de

Control

(UC)

Memorie

Superoperativa

(MSO)

CPU

Date de iesire

sau rezultate

DMA DMA

DateInstructiuni

Memorie

Operativa

(MO)

Memorie

Secundara

(MS)

Date

Date

Unitatea Centrala

MP



3 metode:

3) Preîncărcarea instrucţiunilor (prefetching).

Suprapunerea fazei EXECUTE de la intrucţiunea curentă cu faza FETCH de la instrucţiunea următoare.

23



Unități I/O

24

Flux de date





CPU

Date de

intrare si

programe

Unitatea

Logico-

Aritmeticã

(ALU)

Unitatea de

Intrare

(UI)

Unitatea de

Iesire

(UO)

Unitatea de

Control

(UC)

Unitatea de

Memorie

(UM)

Date de iesire

sau rezultate

DMA DMA

DateInstructiuni

Flux de date



Linii de control

Linii de stare

= ALU + UC


Structura Unității I/O

Registre de date

Registre de

Stare/Control

Linii de

date

Logica I/O

Linii de Adresa

Linii de Control

Interfata cu

disp. periferic

Interfata cu

disp. periferic

Date

Stare

Control

Date

Stare

Control

CPU Disp.

periferice


Calculatorul Elementar Didactic (CED) corespunde structuriiîn 5 unităţi definită de modelul Neumann;

Unităţile sunt prezentate într-o formă simplificatăconţinând numai componentele de bază;

Funcţionarea CED: cf. principiilor von Neumann:

– instrucţiunile şi datele se află în memoria principală;

– orice instrucţiune se execută în ciclul instrucţiune, format din

cele două faze majore: faza FETCH şi faza EXECUTE.

26

Curs 6: Calculatorul elementar didactic



DECODIFICATOR

FUNCTIE

OPCODE ADRESA

1 . . . . . . . . L 1 . . . . . . . . K

RI

REGISTRU OUTPUT

UI

UO

PC

K

DEPLASATOR

SUMATOR/SCAZATOR

RS

RT3

RT2

ACC

RT1

MBR

0

.

.

.

i .

.

.

.

1 . . . . . K

REGISTRU INPUT

n

n

n

n

n

….

K

UIA pe n biti

Flags

K

Incr

Linii de

control

UCALU

U I/O

UM

MA

R

R/ W

R/ W

2k x n2k-1

BLOC DE

CONTROL

Curs 6: Calculatorul elementar didactic


Curs 7: Tehnici de adresare a memoriei

Adresare tip operand presupus;

Adresare implicită;

Adresare imediată;

Adresare directă;

Adresare paginată;

Adresare bazată;

Adresare indexată;

Adresarea indirectă;

Adresare pentru un bloc de date;

Tehnici de adresare combinate.

28



Nivelul Hardware

(MF)

Nivelul

microprogramarii

Limbajul cod

masina

Sistemul de

operare

Limbajul de

asamblare

Limbaje de nivel

inalt

Limbaje de nivel

foarte inalt

Executie directa

Interpretare

Arhitectura

calculatorului

Interpretare partiala

Translatare (asamblare)

Translatare (compilare) sau interpretare

Translatare (pre-compilare) sau interpretare

0

1

2

3

4

5

6

Curs 8: Organizarea ierarhică a structurilor de calcul


Nivelul Hardware

(MF)

Nivelul

microprogramarii

Limbajul cod

masina

Sistemul de

operare

Limbajul de

asamblare

Limbaje de nivel

inalt

Limbaje de nivel

foarte inalt

Executie directa

Interpretare

Arhitectura

calculatorului





0

1

2

3

4

5

6

Curs 8: Organizarea ierarhică a structurilor de calcul


Curs 9: Structuri de interconectare

Magistrala:

31

D.p.d.v. al rolului: dedicată; multiplexată.

D.p.d.v. al funcţionării: sincronă; asincronă.

Magistrala de sistem: magistrala de adrese; magsitrala de date; magistrala de control



Curs 9: Criterii de clasificare

Clasificarea calculatoarelor d.p.d.v. al magistralei:

– Calculatoare cu o singură magistrală;

– Calculatoare cu două magistrale;

– Calculatoare cu trei magistrale;

– Calculatoare cu organizare multiport/multibus.

Clasificarea calculatoarelor după criteriul Flynn(criteriul fluxului de date şi fluxului de instrucţiuni):

– SISD (Single Instruction Single Data) – flux unic de instrucţiuni,flux unic de date;

– SIMD (Single Instruction Multiple Data) – flux unic de instrucţiuni,flux multiplu de date;

– MISD (Multiple Instructions Single Data) – flux multiplu deinstrucţiuni, flux unic de date;

– MIMD (Multiple Instructions Multiple Data) – flux multiplu deinstrucţiuni, flux multiplu de date.

32



Curs 10: Nivelul limbajului cod-mașină

Definiție detaliată: Arhitectura calculatoarelor;

Instrucțiuni:

– Formate de instrucțiuni: # de sub-câmpuri de adresă:

– Criterii de proiectare a formatelor de instrucțiuni;

– Lungimea instrucțiunilor;

– Noțiunea de metabit;

– Formate ortogonale și etichetate.

33

Instrucțiuni cu 4 adrese;Instrucțiuni cu 3 adrese;Instrucțiuni cu 2 adrese;Instrucțiuni cu 1 adresă;Instrucțiuni cu nici o adresă.



Curs 10: Nivelul limbajului cod-mașină

Clase de instrucțiuni:

34

Clasa de instrucţiuni de transfer al datelor;

Clasa de instrucţiuni diadice;

Clasa de instrucţiuni monadice;

Clasa instrucţiunilor de I/O;

Clasa instrucţiunilor de control al ciclurilor;

Clasa instrucţiunilor de control ale CPU.



Curs 11: Stiva

Stiva:

35

Categorii: Hardware; Software:

cu umplere în sus; cu umplere în jos.

Operații: PUSH; POP.

Lucrul cu stiva (la microprocesorul I8080): Instrucţiunea PUSH; Instrucţiunea POP; Instrucţiunea LXI.

Utilizarea stivei la apelul procedurilor: Instrucţiunea CALL; Instrucţiunea RETURN.



Recapitulare

36

Tehnici de echilibrare a

vitezei CPU-UM

UI

UO

TransferulCPU<->UI/O

Tehnici de adresare a memoriei

CPU: ALU

CPU: UC

UM

Structuride inter-conectare

Stiva

CED

Ciclulinstrucțiune



Recapitulare

Nivelul Hardware

(MF)

Nivelul

microprogramarii

Limbajul cod

masina

Sistemul de

operare

Limbajul de

asamblare

Limbaje de nivel

inalt

Limbaje de nivel

foarte inalt

Executie directa

Interpretare

Arhitectura

calculatorului





0

1

2

3

4

5

6

Formate de instrucțiuni;

Criterii de proiectare a formatelor de instrucțiuni;

Clase de instrucțiuni.

Translatare(compilare) Interpretare

recapitulare - cs.ucv.ro 12-recapitulare.pdf · pc decodificator opcode rf ri ra calcul ae...

Documents