1

HISTORIA URZĄDZEŃ LICZACYCH:

• Starożytne (abaki) - prostokątna deska z wyżłobionymi rowkami, w których kamykami zaznaczano liczbę poszczególnych rzędów dziesiętnych

• Liczydło

• 18 wiek - sumator:

• 1842 - Pascal - sumator szeregowy, dodawanie cyfra po cyfrze

• 1871 - G. W. Leibnitz - sumator równoległy - sumowanie cyfr odbywało się jednocześnie - możliwe obliczenia prostych iloczynów

• 19 wiek:

• 1812 - Babbage - model maszyny różnicowej, obliczenia tablic funkcji matematycznych

• 1833 - Babbage - projekt maszyny analitycznej - idea sterowania sekwencyjnego - karty dziurkowane, zrealizowane z powodu trudności finansowych niskiego stanu techniki

• 1877 - USA - sumator klawiszowy

• 20 wiek:

• 1920 - arytmometr elektryczny

• 1944 - Mark1 - maszyna licząca oparta na przekaźnikach elektromagnetycznych - sponsorowana przez IBM

• Bell5 - Bell telecom

• 1946 - USA - ENIAC (początek informatyki): 17000 lamp elektronowych, zegar 100khz, 5000 dodawań na sekundę, sterowanie sekwencyjne, system dziesiętny, pamięć do przechowywania liczb

• 1945 - UAS - maszyna sekwencyjna ze sterowaniem wewnętrznym (wymienny program w pamięci wraz z danymi

• 1947 - 1949 - EDSAC i EDVAC - wg. koncepcji Neumanna

Komputery pierwszej generacji:

• lampowe

• programowanie w języku wewnętrznym (0,1)

• 1951 - UNIVAC - system dziesiętny, pamięć rtęciowa

• 1953 - IBM701 - system dwójkowy, pamięć elektrostatyczna

• 1958 - UMC1 - skonstruowany na Politechnice Warszawskiej, produkowany seryjnie, pierwszy komputer w Lublinie

• Komputery drugiej generacji:

• 1949 - pierwszy tranzystor i kompozycja oparta na nich, pamięć na rdzeniach ferrytowych, powstają pierwsze translatory

• 1955 - TRADIC - zbudowany na tranzystorach

• 1956 - TX0 - programowalny komputer ogólnego przeznaczenia

• 1958 - Seymon Cray - CDC1608 - superkomputer tranzystorowy

• 1962 - Odra1003 - polski komputer tranzystorowy, pamięć ferrytowa

• 1959 - IBM seria 7000 - 64-bitowe słowo, pierwszy raz użyto zwrotu ARCHITEKTURA KOMPUTERA (jest to funkcjonalny wygląd komputera przeznaczony dla jego użytkowników - definicja z 1964 r.)

• Komputery trzeciej generacji:

• komputery na układach scalonych SSI, MSI, (zmniejszenie rozmiarów i poboru mocy, zwiększenie niezawodności), konsola operatora (klawiatura, monitor), systemy operacyjne, rozwój algorytmicznych języków programowania, podział na hardware i software

• 1958 - pierwszy obwód scalony (Texas Instruments)

• 1954 - FORTRAN - język programowania IBM

• 1960 - PDP1 - pierwszy mikrokomputer wyprodukowany przez DEC

• 1965 - PDP8

• 1967 - nowa seria Odra 1300 w Polsce we współpracy z ICL

• Komputery czwartej generacji:

• oparte na układach scalonych LSI, VLSI, procesor jest pierwszym układem scalonym, rozpowszechnianie się pamięci operacyjnych, dyski elastyczne, rozwój oprogwamowania

• 1969 - UNIX dla PDP

• 1970 - Pascal

• 1971 - Intel 4004 - 4 bitowy

• 1974 - Intel 8080 i Motorola 68000

• 1976 - Apple1 i superkomputer Cray1 o architekturze wektorowej

• 1977- Microsoft

• 1978 - Intel 8086 - 16 bitwy

• 1980 ZX80

PARAMETRY KOMPUTERA:

• Mips - mega instruction per second

• Mtlops - mega floaming point operations (ilość operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę)

• Superkomputer to system komputerowy o najwyższej z pośród dostępnych w danym czasie maszyn o mocy obliczeniowej

• Komputery piątej generacji - koniec lat 80-tych

• Rozwój technik komputerowych następuje w kierunkach:

• szukanie nowych architektur komputerów, RISC, potokowe, wieloprocesorowe i inne

• dalsza budowa superkomputerów i sieci komputerowych

• szybki rozwój technik minikomputerów

Generacje komputerów:

• zerowa:

• maszyny mechaniczne i elektromechaniczne

• pierwsza:

• od 1946 roku - maszyny lampowe

• druga;

• lata 50-te - maszyny tranzystorowe

• trzecia:

• lata 60-te - układy SSI i MSI

• czwarta:

• lata 70-te - LSI i VLSI

• piąta:

• koniec lat 80-tych

Klasyczna koncepcja komputera (Von Neumann):

Procesor Pamięć

Urządzenia zewnętrzne

Użytkownik

• Informacje w komputerze:

• informacje (dane i rozkazy) w komputerze są przedstawiane w postaci słów binarnych

• słowo binarne - dowolny skończony, uporządkowany ciąg symboli 0 lub 1 (bitów)

• długość słowa bitowego określa ilość znaków we słowie

• w komputerze długość słowa wpływa zwykle na długość jego wszystkich rejestrów

• Procesor - uniwersalny układ cyfrowy przetwarzający informacje

• przetwarza informacje wykonując na niej elementarne operacje

• instrukcje - rozkaźniki

• ciąg instrukcji- program

• w celu wykonania przetwarzania informacji do procesora należy dostarczyć dane WE oraz program

Uproszczony model procesora:

LR adres pamięci

A

ALU wynik operacji

B

BR dekoder

LR - licznik rozkazów

RL - rejestr rozkazów

ALU - jednostka arytmetyczno - logiczna

A, B - rejestry z argumentami ALU (A - akumulator)

Dekoder - dekoder kodu rozkazowego

• Elementy procesora:

• licznik rozkazów (wskaźnik instrukcji) - rejestr procesora zawierający adres komórki pamięci, w której przechowywany jest kod rozkazu przeznaczonego do wykonania

• jednostka arytmetyczno - logiczna (ALU) - uniwersalny układ cyfrowy przeznaczony do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych

• rejestry procesora są dostępne programowi

• A - akumulator - rejestr, który zawiera 1 z operandów wykonywanej operacji i do którego jest zazwyczaj wynik operacji

• B - uniwersalny rejestr roboczy - zawiera drugi operand

• Dekoder (dekoder rozkazów) - układ procesora przeznaczony do rozpoznania kodu rozkazów i wytworzenia wewnętrznych i zewnętrznych sygnałów sterujących

• pamięć operacyjna - uporządkowany ciąg n słów binarnych (komórek pamięci) o równej długości (np. 8), w której przechowywane są dane, wyniki oraz kody instrukcji tworzących program

• każda komórka pamięci posiada swój adres

• podanie adresu ma WE adresowe umożliwiające dostęp do danej komórki pamięci

• w 1 cyklu pracy można zapisać lub odczytać z pamięci tylko 1 słowo

Struktura pamięci n słów binarnych:

O/Z

W. adres - wejściowe adresowe

O/z - sygnał sterujący dostępem W w zależności od O Z pamięć jest odczytywana lub zapisywana

• Czas wykonania instrukcji:

• całkowity czas wykonania instrukcji

• cykl - czas każdego dostępu do pamięci komputera

• długość instrukcji jest zwykle różna dla różnych rozkazów

• cykl instrukcji zawiera zwykle 1 lub kilka cykli maszynowych

• najszybciej wykonują się rozkazy nie zawirające cyklu maszynowego (bez odwołan co pamięci)

• Język wewnętrzny komputera:

• lista rozkazów - zestaw wszystkich instrukcji maszynowych (rozkazów), jakie potrafi wykonać procesor

• binarna postać listy rozkazów wraz z podstawowymi cechami architektóry komputera tworzy język wewnętrzny komputera

Nie Tak

• Główne cechy komputera (wg Neumanna):

• 3 główne bloki funkcjonalne - procesor, pamięć operacyjna, urządzenia WE, WY

• praca pod kontrolą sekwencyjnego wpisanego programu

• program i dane zapisane są w pamięci operacyjnej

SYSTEMY LICZBOWE:

• Dane w procesie przetwarzania informacji:

• dane stanowią reprezentację informacji

• w procesie przetwarzania danych wykonywane są określone działania, bez odwoływania się do ich znaczenia

• podstawowym rodzajem przetwarzania danych są dane liczbowe

• Co to jest liczba ?

• liczbą naturalną nazywa się te cechy zbioru, która określa ilość (liczność) elementów w zbiorze

• pojęcie liczby jest więc pojęciem abstrakcyjnym, ponieważ w żadnym stopniu nie zależy od innych szczególnych cech elementu zbioru

• Konieczność rejestrowania zjawisk o charakterze ciągłym spowodowało powstanie innych rodzajów liczb - liczby wymierne i rzeczywiste

• pierwszy materialny zapis liczby z przed 30000lat odkryto w Czechach (na Morawach) w 1837 roku - były to kości wilka, na których nacięto poprzeczne karby

• Zasady numeracji - przedstawianie liczb:

• addytywna (z łac. Addto - dodawanie) - kilka podstawowych znaków (cyfr) oznaczających wybrane liczby, a wtedy pozostałe liczby oznacza się powtarzając wybrany znak potrzebną ilość razy

• subtraktywna (z łac. Subtractio - odejmowanie) - zestawienie cyfry oznaczającej liczbę mniejszą przed większą oznaczającą różnicę liczb

• multiplikatywna

• Systemy pozycyjne:

• w starożytnym Babilonie pierwszy raz pojawiła się numeracja pozycyjna, była oparta na stosowaniu 2 znaków (- oznaczał 1 i 60, <10 i 600)

• z indyjskich cyfr brahmi powstały nowoczesne cyfry - indyjskie dewanagari (boskie pismo) - stosowane w układzie dziesiętnym - pochodzą od nich arabskie i europejskie dziesiętne systemy pozycyjne (pierwsze świadectwo 7 wiek)

• Dziesiętny system pozycyjny:

• służy do zapisu liczb naturalnych:

• N₍₁₀₎ =
  _n-1-i * 10^n-1-i = a_n-1 * 10^n-1 + a_n-2 * 10^n-2 + ... + a₁₍₁₀₎ + a₀ = a_n-1 * a_n-2 + ... + a₁ * a₀₍₁₀₎

• np.: 2046₍₁₀₎ = 2* 10³ + 0 * 10² + 4 * 10¹ + 6 * 10⁰, gdzie: a 3 = 2, a 2 = 0, a 1 = 4, a 0 = 6

• System pozycyjny o podstawie naturalnej p>1:

• jeżeli p>1 jest dowolną ustaloną liczbą naturalną, to każdą liczbę naturalną można przedstawić:

• N_(p) =
  a _n-1-i * p^n-1-i = a_n-1 * p^n-1 + a_n-2 * p^n-2 + ... +a₁ p+ a₀ = a_n-1 * a_n-2 * ... * a₁ a_0(p)

• Ułamki:

• jeżeli p>1 to każda formuła o przedstawionej postaci przedstawia pewną m-pozycję liczby taką, że: 0<u<1

• u_(p) =
  a_i * pⁱ = a_-1 * p^-1 + a_-2 * p^-2 + ... + a_-n+1 * p^-n+1 + a_-n * p^-n = 0, a_-1 * a_-2 ... a_-n+1 * a_-n(p)

• Liczba wymierna w systemie pozycyjnym o podstawie p>1:

-formuła przedstawia (n + m) liczbę wymierną zapisaną w pozycyjnym systemie o podstawie p:

N, M_(p) =
a_i * pⁱ = a_n-1 * a_n-2 ... a₁ * a₀, a_-1 * a_-2 ... a_-m+1 * a_{-m + p}

W SYSTEMIE POZYCYJNYM NIE MOŻNA ZAPISAĆ LICZBY NIEWYMIERNEJ

• Dwójkowy system pozycyjny:

- N,U₍₂₎ =
a_i * 2¹ = a_n-1 *a^m-2 ... a₁ * a₀, a_-1 * a_-2 ... a_-m + a_-m(2)

• 1011001 101101₍₂₎ = 89,703125

• 57₍₁₀₎ = 1 * 2⁵ + 1 * 2⁴ + 1 * 2³ + 0 * 2² + 0 * 2¹ + 1 * 2⁰ = 111001₍₂₎

• 2046₍₁₀₎ = 11111111110₍₂₎

• 57₍₁₀₎ = 111001₍₂₎

• Algorytmy konwersji liczb w różnych systemach pozycyjnych:

• algorytm zamiany naturalnej liczby dziesiętnej na dwójkową - w celu dokonania konwersji naturalnej liczby dziesiętnej na liczbę dwójkową należy:

• podzielić liczbę, a następnie kolejno uzyskane ilorazy przez liczbę 2, aż do uzyskania ilorazu 0

• podczas wykonywanych działań należy rejestrować kolejno otrzymywane reszty z dzielenia

• poszukiwany kod dwójkowy liczby naturalnej otrzymuje się wpisując kolejno otrzymane reszty w porządku przeciwnym do otrzymania

• Zamiana ułamka dziesiętnego na ułamek dwójkowy:

• mnożyć ułamek, a następnie części ułamka kolejno otrzymywanych iloczynów przez 2

• podczas wykonywanych mnożeń należy rejestrować kolejno części całkowite otrzymywanych iloczynów

• poszukiwany kod dwójkowy ułamka otrzymuje się wypisując kolejno otrzymane części całkowite iloczynów w porządku zgodnym z ich uzyskaniem

• postępowanie przerwać, gdy pewna sekwencja cyfr w wyniku zacznie się powtarzać

• Algorytm zamiany liczby szesnastkowej na dwójkową:

• należy przekodować kolejno na kod dwójkowy wszystkie cyfry liczby szesnaście, otrzymany ciąg cyfr dwójkowych jest poszukiwaną liczbą dwójkową

• Algorytm zamiany liczby dwójkowej na szesnastkową:

• należy podzielić liczbę dwa od prawej strony na grupy po cztery cyfry, każdą z czterech cyfr liczby dwa należy zastąpić cyfrą szesnastkową. Otrzymany ciąg cyfr szesnastkowych jest poszukiwaną liczbą szesnastkową

• Kody binarne cyfr szesnastkowych:

Cyfra 16	Kod binarny	Cyfra 16	Kod binarny
0	0000	8	1000
1	0001	9	1001
2	0010	A	1010
3	0011	B	1011
4	0100	C	1100
5	0101	D	1101
6	0110	E	1110
7	0111	F	1111

KODOWANIE INFORMACJI:

• Kodowanie informacji:

• informacja cyfrowa - informacja przedstawiona (zakodowana) w postaci słów cyfrowych

• słowo cyfrowe (binarne) - dowolny ciąg składający się z symboli 0lub 1, co oznaczamy:

a_n-1 * a_n-2 ... a₃ a₂a₁a₀ , gdzie a = (0,1) , a_n-1 - oznacza się USB (ang. Most Significant Bit) - najbardziej znaczący (najstarszy) bit , a₀ - LSB (ang. Least Significant Bit) - najmniej znaczący (najmłodszy) bit

• Jednostka informacji:

• jeśli prawdopodobieństwo pojawienia się komunikatu wynosi p, to komunikat zawiera k - bitów informacji: k= - log₂ (bit)

• jeśli prawdopodobieństwo pojawienia się komunikatu wynosi p = 0,5, to wtedy komunikat zawiera : -log₂ 2^-1 = 1 bitów informacji

• Przyjmujemy następujące oznaczenia:

• 1 (bit) = 1 b

• 8 (bitów) = 1 B (Bajtów)

• w n - elementarnym słowie cyfrowym cyfry 0 i 1 możemy rozmieścić na 2ⁿ sposobów

• jeżeli pojawienie się n - elementowego słowa cyfrowego ma CHARAKTER LOSOWY, to wtedy prawdopodobieństwo pojawienia się go wynosi p = 2^-n , na podstawie definicji jednostki informacji słowo takie zawiera -log₂ 2^-n = -(n * log₂ 2) = n * 1 = n (bitów informacji)

• Nazwy słów binarnych:

Długość słowa	Oznaczenia symboliczne	Nazwy angielskie	Nazwy polskie
1	a0	Binary, digit, bit	Bit
4	a3 ... a0	Nibble	Tetrada, kęs
8	a7 ... a0	Byte	Bajt
16	a15 ... a0	16-bit word, word	Słowo 16-bitowe, słowo
32	a31 ... a0	Double word, dword	Podwójne słowo, dwósłowo
64	a63 ... a0	Word, qword, quad	Słowo 64-bitowe-4 słowo

• Kodowanie - przyporządkowanie poszczególnym obiektom zbioru kodowego odpowiadających im elementom zwanych słowami kodowymi, wg. ściśle określonego przypisu zwanego kodem, przy czym każdemu słowu kodowemu musi odpowiadać dokładnie 1 element kodowy

• Umowna terminologia:

• zapis dowolnej liczby w dowolnym systemie notacji będziemy nazywać liczbą z dodaniem nazwy systemu notacji

• Kod - takie jednoznaczne przyporządkowanie (kod), które liczbom zapisanym w dowolnym systemie przyporządkowuje słowo kodowe w postaci zerojedynkowej

• Graficzna interpretacja kodowania:

Zbiór obiektów kodowanych Zbiór słów kodowanych

• Naturalny kod binarny - NKB

• jeżeli dowolnej liczbie dziesiętnej przyporządkowujemy jej dowolną liczbę binarną, to otrzymujemy naturalny kod binarny (NKB)

NKB

• 
  110001001

• przyporządkowując każdej cyfrze dziesiętnej 4 - cyfrową liczbę dwójkową (tetradę) w kodzie NKB, a następnie kodując liczbę dziesiętną cyfra po cyfrze otrzymuje się kod prosty (BCD)

BCD

• 
  001110010011

• Stałopozycyjna reprezentacja liczb:

• W reprezentacji liczb można stosować następujące kody stałopozycyjne:

1). Kod znak - moduł ZM

2). Kod odwrotny - U 1

3). Kod uzupełniający - U 2

• Stosowanie odpowiednich kodów jest konieczne ze względu na to, że w normalnym zapisie pozycyjnym oprócz cyfr (np.: 0,1) do zapisu liczby używamy jeszcze znaków: „+” „-” „ , ”

• Dla dowolnej liczby dwójkowej (W) - 2^k można utworzyć jej reprezentację w słowie cyfrowym o długości n = (k + n) zgodnie z następującym wzorem:

W_zm =
W gdzie W
0

2^k-1 gdzie W
0

• Kod ZM tworzy się przez dodanie bitu znaku do kodu NKB

- 0 oznacza + , a wartość 1 znak - pozostałe bity słowa oznaczają wartość (W) liczby

- pozycję oddzielającą część całkowitą od ułamkowej przypisuje się umownie k - bitów od początku słowa, np.: słowa 8 - bitowego

-93 = -1011101

93 = 1011101

-0,6875 = -0,1011

0,6875 = 0,1011

• Kod odwrotny:

W_{0 U1} = W gdzie W
0

2^k + W - 2^-m gdzie W
0

• kodzie U 1 liczba dodatnia ma taką samą reprezentację jak w kodzie ZM

• reprezentację liczb w kodzie U 1 można utworzyć w ten sposób, że na pozycji bitu znaku umieszczamy 1, a na pozostałych bitach zanegowane bity wartości bezwzględnej liczby w kodzie NKB, np.:

kod U 1 dla słowa 8 - bitowego

-0,6875 = -0,1011

0,6875 = 0,1011

• Kod uzupełnieniowy:

• dla dowolnej liczby 2(W) - 2^k można utworzyć jej reprezentację w słowie cyfrowym o długości n = (k+m) zgodnie z następującym wzorem:

w_u2 = w gdzie w
0

w gdzie w
0

• w kodzie U2 liczby dodajemy na taką samą reprezentację jak w kodzie 2M

• reprezentację liczby ujemnej w U2 można utworzyć w ten sposób, że na pozycji bitu znaku umieszczamy 1, a następnie do zanegowanych bitów wartości bezwzględnej liczby należy optymalnie dodać 1 na najmniej znaczącej pozycji słowa ,np.:

-93 = 1011101

93 = 1011101

-0,6875 = -0,1011

-0,6875 = 0,1011

• Kodowanie znaków alfa - numerycznych:

• dane alfa - numeryczne (dane tekstowe) reprezentujące wyłącznie znaki drukarskie (litery, cyfry, znaki interpunkcyjne, znaki specjalne, znaki sterujące wydrukiem niewidoczne w tekście)

• do kodowania znaków alfa - numerycznych używa się obecnie kodu ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

• kod ASCII znany jest też jako ISO (International Standard Organization)

• pierwotnie kod ASCII był kodem 7 - bitowym, a 8 bit był przeznaczony do tzw. Kontroli parzystości

• obecnie stosuje się 8 - bitowej odmiany kod ASCII uwzględniający wiele dodatkowych znaków (w tym narodowe)

PODSTAWY UKŁADÓW LOGICZNYCH:

• Działania logiczne i bramki:

• każdy układ cyfr można przedstawić jako „czarną skrzynkę”

• słowem WE układu cyfr nazywamy uporządkowany ciąg wartości wszystkich sygnałów WE

• słowem WY układu cyfr nazywamy uporządkowany ciąg wartości wszystkich sygnałów WY

• Układy kombinacyjne i sekwencyjne:

• jest to układ cyfr, w którym danemu słowu WE odpowiada zawsze tylko 1 słowo WE

• w którym istnieje przynajmniej 1 słowo WE, na które układ odpowiada różnymi słowami WE w różnych chwilach czasu

• układ cyfr, dla którego w dowolnym momencie jego działania stan WE oddziaływuje na stan WY

• stan WE wpływa na stan WY jedynie w pewnych odcinkach czasu pracy układu zwanych „czasem czynnym”, natomiast w pozostałych odcinkach zwanych „czasem biernym” stan WE nie wpływa na stan WY

• Układy kombinacyjne:

• w technice cyfrowej układ kombinacyjny realizuje się jako:

• układy złożone z odpowiedniego zestawu najprostszych układów logicznych tzw. Bramek

• Standardowe bloki kombinacyjne:

• dekodery

• multipleksery

• układy matrycowe

• bramka (ang. gata) jest to podstawowy układ logiczny realizujący prostą funkcję logiczną (np.: sumę lub iloczyn)

- iloczyn (AND)

- suma (OR)

- NAND

- NOT

• np.: 1 bitowy sumator:

- niech A i B będą naturalne, zapisane w kodzie NKB:

A =
a_i 2¹ A =
b_t 2¹

• aby znaleźć sumę arytmetyczną tych liczb należy dodawać bit po bicie zaczynając od najmniej znaczącej pozycji liczb

• zadanie polega na kilkukrotnym wyznaczaniu wartości 2 funkcji

y₁ = y₁ (a₁ b₁ c₁) - binarny wynik jednopozycyjnego dodawania

• Komparatory:

• układ liczb wskazujący fakt równości lub nierówności 2 słowa binarnego WE nazywa się komparatorem

• w przypadku nierówności słowa komparator może wskazywać, które ze słów WE jest większe

• Komparator 1 bitowy:

A

B

• Kekodery:

• nazwane są układem o n - WE i 2ⁿ WY

• przekształcają one słowa WE w kodzie NKB na słowa w „ 1 z 2ⁿ

• na odpowiednim WY dekodera pojawia się 1, a wszystkie pozostałe pozycje są równe 0 (czasem bywa odwrotnie)

• koderem (endokoderem) nazywamy układ komb. Który zamienia kod WE na kod binarny NKB

• kodem priorytetu nazywamy układ kodu, w którym wprowadzono następujące zmiany:

1. na jego WE może pojawić się więcej niż 1 sygnał wyróżniany

2. każdemu WE przyporządkowuje pewien priorytet

3. na WE pojawia się zakodowany numer tego WE z wyróżnionym sygnałem, który posiada najwyższy priorytet

• Multiplekser - układ realizujący funkcje wybierania (selekcji) 1 z wielu WE i skierowanie informacji z tego WE na WY

• Dekoder - układ realizujący funkcje wybierania (selekcji), z wielu WY, na które skierowane są informacje z WE

• Układy sekwencyjne:

• rejestrem nazywamy układ cyfr przeznaczony do krótkoterminowego przechowywania niewielkich ilości informacji lub zamiany postaci informacji z równoległej na szeregową lub odwrotnie

• licznik - układ cyfr, na którego WY pojawia się zakodowana liczba impulsów podanych na WE zliczające licznika, zliczona przez licznik

ARYTMETYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA KOMPUTERA

• Arytmetyka stałopozycyjna:

• dodawanie stałopozycyjnych liczb dodatnich:

Wartości dziesiętne	Wart. w zapisach ZM, U1, U2	Wartości w BCD
89	01011001	010001001
+45	00101101	001000101
134	(1)00101101	011001110
		01100110
		00100100
		+ (1)
		(1) 00110100

• w zapisie ZM, U1, U2 i dodawanie stałopozycyjne liczb dodatnich przebiega w identyczny naturalny sposób

• zapis w BCD dodaje do siebie odpowiednie tetrady, jeżeli wynik dodawania tetrad przekracza zakres kodu, to dodaje się do nich korekcję równą 6. Następnie uwzględnia się powstałe przeniesienia

• dodawanie liczb stałopozycyjnych:

Wart. dziesiętne	ZM	U1	U2	BCD
+9	01001	01001	01001	01001
-7	+10111	+11000	+11001	+10111
+2	00010	(1)000001	(1)00010	00010
		+ 1
		00010

• aby odjąć 2 liczby w zapisie ZM lub BCD należy:

1. porównać moduły obu argumentów i przyjąć jako znak wyniku znak liczby o większym module

2. od większego modułu odjąć mniejszy, realizacja tego argumentu nie jest łatwa, ponieważ w przypadku gdy na wybranej pozycji od 0 należy 1 istnieje konieczność stosowania tzw. „pożyczek wyższych pozycji”

• Odejmowanie liczb w zapisie U1 i U2:

• w zapisie U1 odejmowanie polega na dodawaniu wszystkich pozycji liczby wraz z bitem znaku oraz uwzględnieniu powstałego przeniesienia. Korekcja polega na dodawaniu przeniesienia do najmniej znaczącej pozycji wyniku

• w U2 odejmowanie jest po prostu dodawaniem wszystkich pozycji wraz z bitem znaku. Jeśli powstanie przeniesienie na liście, to jest ono ignorowane

• Mnożenie liczb w zapisie stałoprzecinkowym:

• Algorytm mnożenia liczb dla zapisu ZM:

• porównać bity znaków i przyjąć znak wyniku

• wykonać mnożenie modułów

• bit znaku wyniku można wyznaczyć wykonując na bitach znaków czynników sumę moduło 2

• mnożenie modułów można wykonać zgodnie z arytmetycznymi zasadami mnożenia liczb w systemie pozycyjnym o podstawie 2



























ALU



















SHF




M - rejestr bitowy

R - rejestr 8 - bitowy

RL - 1 bitowa najmniej znacząca część rejestru R

RH -1 bitowa najbardziej znacząca część rejestru R

ALU - jednostka logiczno - arytmetyczna

C - 1 bitowy rejestr do uwzględniania przeniesienia

SHR - przesunięcie w prawo

• Algorytm mnożenia liczb stałoprzecinkowych BCD:

















































• przy realizacji tego algorytmu układ sterowania programuje się na odpowiednią liczbę kroków równą liczbie bitów mnożonych liczb

• Mnożenie liczb stałoprzecinkowych w zapisie U1 i U2

• algorytm mnożenia liczb w zapisie U1 zależy od znaku czynników (dla dodawania pokrywa się z algorytmem liczb NKB)

• algorytm mnożenia liczb zapisanych w U2 wymaga stosowania korekty przy mnożeniu przez liczbę ujemną (wydłużenie algorytmu o 1 krok)

• wymienioną wyżej wadę algorytmu mnożenia liczby w zapisie U2 można usunąć zmieniając odpowiednio konstrukcję algorytmu





































































• algorytm wymaga wykonania o 1 krok więcej niż wynosi liczba mnożonych liczb

• Dzielenie liczb w zapisie stałopozycyjnym:

• Dzielenie liczb w zapisie zmiennoprzecinkowym jest działaniem bardziej złożonym od mnożenia ze względu:

• nie zawsze musi być działaniem wykonywalnym

• dzielna musi być odpowiedniej długości, aby iloraz miał pożądaną długość

• w algorytmie dzielenia wykonuje się operacje dodawania, odejmowania i przesunięcia w lewo

• Reprezentacja zmiennoprzecinkowa liczb:

• binarny zapis liczb zmiennoprzecinkowych składa się z 3 części zapisanych w oddzielnych polach

• n - bitowe pole znaku

• n - bitowe pole części ułamkowej zwanej mantysą S

• m - bitowe pole części wykładnika zwane cechą E

• Stosując przyjęte oznaczenia dowolną liczbę A można przedstawić:

A = + (-) S * B^{+ (-)E} ,gdzie S - mantysa , E - cecha , B - podstawa wykładnika (zwykle 2; 10;16)

• Jeżeli 1/B
  
  
  1 , to S - znormalizowana i wtedy S = 0,1s_-2 s_-1...s_-n

• Zakres obliczeń zmiennoprzecinkowych:

• niech będzie dane 32 - bitowe słowo standardu IEEE. Przyjmujemy, że jest 32 = 1 + 23 + 8 = 1 + n + m

(n - długość mantysy, m - długość cechy)

• przy tych założeniach w 1 słowie można zapisać najmniejszą liczbę : -(1-2^-24)*2¹²⁷

• graficznie nie można przedstawić liczb bliskich 0

• zakres zmiennoprzecinkowych reprezentacji liczb jest znacznie większy niż w reprezentacji stałoprzecinkowej]

• Własności zmiennoprzecinkowej reprezentacji liczb;

• zmiennoprzecinkowa prezentacja liczb jest obecnie dominującym sposobem przedstawiania liczb w systemie komputerowym

• w reprezentacji zmiennoprzecinkowej zwiększenie długości mantysy wpływa na zwiększenie dokładności obliczeń (zmniejszenie rozdzielczości)

• w reprezentacji zmiennoprzecinkowej zwiększenie cechy wpływa na zwiększenie zakresu prezentowanych liczb

Komputer VAX 11	Słowo	Znak	Cecha	Mantysa
Mikroprocesor Intel	32	1	23	8
Standard IEEE	80	1	64	15
754	64(32)	1	48(23)	45(8)

• Dodawanie i odejmowanie liczb zmiennoprzecinkowych;

• wymaga wykonania procedury wyrównania cech(wykładników)

• wyrównanie odbywa się w ten sposób, ze mniejsza cecha 1 z dodawania (odejmowania) liczby jest zwiększana do wyrównania z 2

• zwiększenie cechy powoduje konieczność odpowiedniego zmniejszenia mantysy w liczbie, w której korygowana jest cecha

• Niech będą dane 2 liczby:

A = S_A * 2^EA i B = S_B * 2^EB , zakładamy, że EA < EB
EB - EA >0

Wtedy A = (S.A. * 2^{(EA - EB)}) * 2^EB

• Mnożenie i dzielenie liczb zmiennoprzecinkowych:

• dzięki własnościom funkcji wykładniczej mnożenie i dzielenie liczb zmiennoprzecinkowych nie jest działaniem trudnym

• istotnym problemem podczas dokonywania tych operacji jest problem dokładności obliczeń

• Dokładność przy wykonywaniu działań dla liczb zmiennoprzecinkowych:

• w celu poprawy dokładności obliczeń stosuje się tzw. „bity ochrony”, polega to na :

• do rejestrów, w których podczas obliczeń znajdują się mantysy dołącza się wyzerowane wcześniej bity dodatkowe

• wydłużenie w ten sposób mantysy zachowują bity końcowe tracone w innym przypadku podczas operacji przesunięcia związanych z wykorzystaniem działań

• przy wykonywaniu działania i normalizacji mantysom przywracana jest ich normalna długość

• wpływ na dokładność obliczeń ma problem zaokrąglania

• stosuje się 2 techniki:

• odwracanie - polega na ignorowaniu najmniej znaczących bitów nie wchodzących do zapisu

• zaokrąglanie

POJĘCIE SYSTEMU MIKROPROCESOROWEGO:

• Przetwarzanie informacji za pomocą systemu mikroprocesorowego:







• system komputerowy to złożone urządzenie elektroniczne zawierające co najmniej 1 procesor i pracujące pod nadzorem dostarczonego z zewnątrz programu (ów)

• sposób działania zależy głównie od dostarczonego oprogramowania

• w skład CPU wchodzą:

• mikroprocesor, zegar, sterownik (magistrala opcjonalnie); koprocesor ( opcjonalnie, np.: arytmetyczny)

• zadaniem CPU jest przetwarzanie informacji i sterowanie pracą pozostałych elementów systemu mikroprocesorowego

• steruje pracą układów systemowych

• zegar - wytwarza przebiegi czasowe niezbędne do systemu

• sterownik magistral (jest niezbędny, gdy w systemie jest więcej niż 1 procesor)

• wytwarza sygnały sterujące układami pamięci i układami WE, WY

• koprocesor - wspomaga pracę procesora w przetwarzaniu czasochłonnych operacji

• MEM - pamięć operacyjna wykonana jako półprzewodnikowa, służy do:

1. przechowywania ciągu instrukcji dostarczanych do procesora, stanowiących program

2. przechowywania danych do programu

3. przechowywania wyników działania programu

• Przechowywanie informacji może być wykonane w technologii:

• RAM - pamięć ulotna, tracąca informacje w momencie wyłączenia zasilania, przeznaczona do zapisu i odczytu - stanowi główną część pamięci operacyjnej

• ROM - pamięć stała przechowuje informacje nawet po wyłączeniu zasilania - możliwy tylko odczyt informacji, zawiera BIOS

• I/O - układy WE i WY przeznaczone do pośredniczenia w wymianie informacji między procesorem i pamięcią, a urządzeniami zewnętrznymi

• Potrzeba stosowania układów WE i WY:

• dostosowanie poziomów sygnałów elektronicznych

• potrzeby sterowania przepływem informacji

• dostosowania szybkości transmisji

• przygotowanie odpowiedniego formatu informacji

• Magistrala - zestaw linii oraz układów przełączających, łączących 2 lub więcej układów mogących być nadajnikami lub odbiornikami informacji, przesyłanie informacji zachodzi zawsze pomiędzy 1 układem będącym nadajnikiem, a dokładnie 1 układem będącym odbiornikiem, przy pozostałych układach odseparowanych od linii przesyłających

• DB - magistrala danych - dwukierunkowa - łączy procesor z innymi układami - jest przeznaczona do przesyłania danych wyników oraz kodów instrukcji

• AB - magistrala adresowa - jednokierunkowa - przesyła adresy generowane przez procesor - jest przeznaczona do przesyłania adresów komórek pamięci lub układów WE - WY

• CB - magistrala sterująca - stanowi zestaw linii sterujących pracą układów współpracujących z procesorem i sygnalizowania jego stanów

• Akumulator - rejestr, do którego ładowany jest 1 z argumentów wykonywanej operacji, a następnie wynik tej operacji

• w nowych typach procesora w celu przyspieszenia pracy wynik operacji może być umieszczony także w innych rejestrach

• Rejestr flagowy - rejestr zawierający informacje o wyniku wykonanej operacji

• informacja to znak wyniku, nadmiar, parzystość, itp.

• znacznikami stanu są poszczególne bity rejestru flagowego

• znaczniki stanu są wykorzystywane do tworzenia rozgałęzień w programie

• Licznik rozkazów - rejestr procesora zawierający adres komórki, w której przechowywany jest kod rozkazu przeznaczonego do wykonania jako następujący:

• licznik rozkazu - PC - jest też „wskaźnik instrukcji” - IP

• po pobraniu przez procesor kolejnego rozkazu zawartość licznika zasadniczo powiększa się o 1

• w poszczególnych przypadkach w wyniku działania specjalnych rozkazów wartość powiększa się

• Stos - wyróżniony obszar pamięci używany wg. następujących reguł:

• informacje zapisywane są na stos do kolejnych komórek (żadnego adresu nie można pominąć)

• odczytujemy informacje w kolejności odwrotnej do zapisu

• informacje odczytujemy z ostatnio zapełnionej komórki, natomiast zapisujemy do 1 wolnej

• często przeznaczony jako LIFO

• wskaźnikiem stosu nazywamy rejestr zawierający adres komórki stosu (wierzchołka stosu)

• w zależności od typu procesora stos buduje się w kierunku adresów rosnących lub malejących - wskaźnik stosu zwiększa się lub zmniejsza

• dla wykorzystania stosu nie jest to istotne

• klasyczne zastosowanie stosu to zapamiętanie miejsca powrotu z podprogramu

• Uniwersalne rejestry robocze:

• każdy procesor dysponuje pewną liczbą rejestrów roboczych ogólnego przeznaczenia, służą one najczęściej do przechowywania:

• wyników operacji

• adresów

• pełni funkcje liczników

• itp.

• w procesorze I 8080 para rejestrów HL służy do rejestrowego trybu adresowania pamięci

• Fazy cyklu rozkazowego:

• w celu przyspieszenia pracy systemu stosuje się modyfikację cyklu rozkazowego

• Prefechting - jego realizacja wymaga odpowiedniej budowy procesora umożliwiającej równoległą pracę jednostek CU i EU

• rozwiązaniem jest praca pętlowa

• Cykl rozkazowy:






























• Lista rozkazów mikroprocesora:

• rozkazem nazywamy najprostszą operację, której wykonania programista może zażądać od procesora

• listą rozkazów nazywamy zestaw wszystkich instrukcji maszynowych (rozkazów, jakie potrafi wykonać dany procesor

• Wyróżniamy rozkazy:

• przesłań

• arytmetyczne i logiczne

• sterujące (skoki, wywołania, pętla, itp.)

• inne (np.: sterowanie koprocesorem)

• Charakter rozkazów:

• Przesłań:

• są najczęściej wykonywane

• nie zmieniają wartości informacji

• zalicza się do nich operacje na stanie oraz operacje WE i WY

• Arytmetyczno - logiczne:

• zmieniają wartość informacji

• oprócz rozkazów wykonujących podstawowe operacje arytmetyczne i logiczne należą do nich rozkazy przesuwania cyklicznego i porównania

• Sterujące:

• pozwalają zmieniać kolejność instrukcji wykonania operacji

• robią do nich warunkowe i bezwarunkowe skoki, wywołania podprogramu oraz pętle

• inne rozkazy w tym sterujące pracą procesora

• Format rozkazu;

• nazywamy sposób rozmieszczenia informacji w kodzie rozkazu

• musi zawierać określenie rodzaju wykonywanej operacji

• jest to kod operacji - musi on być zapisany w 1 części rozkazu

• może zawierać operandy lub adresy operandów (dodawanie argumentów i wyników)

• tryb adresowanie - sposób określenia przechowywania argumentów rozkazu

• Tryby adresowania:

• Natychmiastowe i bezpośrednie:

• polega na tym, że argument zawarty jest w kodzie rozkazu

• bezpośrednie polega na tym, że kod rozkazu zawiera adres komórki pamięci, w której przechowywany jest argument

• Rejestrowe i pośrednie:

• rejestrowe polega na tym, że w kodzie rozkazu określany jest rejestr zawierający argument

• pośrednie polega na tym, że kod rozkazu zawiera określenie rejestru, w którym znajduje się adres komórki pamięci zawierającej argument

• Indeksowe z przemieszczeniem:

- polega na tym, że adres argumentu przechowywanego w pamięci jest obliczany jako suma zawartości rejestru określonego w kodzie rozkazu i wartości umieszczonej w kodzie rozkazu, a zwanej „przemieszczeniem”

PAMIĘCI OPERACYJNE

• Najważniejsze parametry to:

• pojemność - określa się podając liczbę słów i długość słowa

• szybkość - określa się jak często procesor może z niej korzystać, często określa się szybkość: czas dostępu, cyklu, szybkość transmisji

• czas dostępu - jest to czas, jaki upływa od momentu zażądania informacji z pamięci do momentu, w którym ta informacja ukaże się na WY pamięci, dla pamięci operacyjnej wynosi od 20 ns do 200 ns

• czas cyklu - jest to najkrótszy czas, jaki musi upłynąć pomiędzy 2 żądaniami dostępu do pamięci

• szybkość transmisji - mierzy się liczbą bitów, jaką można przesłać w jednostce czasu pomiędzy pamięcią, a innym urządzeniem

• szybkość transmisji jest szczególnie ważna dla pamięci, w których adresuje się fragmenty większe niż słowo

• pamięci półprzewodnikowe mogą pracować z różnymi prędkościami

• z wolniejszych pamięci buduje się pamięci operacyjne, a z szybszych - kieszeniowe

• Hierarchia pamięci komputera:

• Tworzy się od góry porządkując pamięci najszybszych, ale przy tym o najmniejszej pojemności od najwolniejszych i równocześnie największej pojemności, w ten sposób otrzymujemy pamięci:

1. operacyjną

2. kieszeniową

3. rejestrową

4. masową

5. zewnętrzną

• Sposób dostępu do informacji:

1. bezpośredni

2. cykliczny

3. sekwencyjny

4. asocjacyjny

• Pamięci półprzewodnikowe

• cyfrowe układy scalone przeznaczone do przechowywania większych ilości informacji w postaci binarnej

• Pamięci o dostępie swobodnym:

• pamięć, dla której czas dostępu praktycznie nie zależy od adresu słowa w pamięci, czyli od miejsca, w którym jest przechowywana informacja

• Pamięci z dostępem swobodnym:

• inaczej RAM, są to pamięci matrycowe, gdzie matryca elementów jest nośnikiem informacji - dzielimy je na:

• ROM - jednokrotnie zapisywalne (read only memory)

• RAM - wielokrotnie zapisywalne (random access memory)

• Innego rodzaju pamięci:

• z dostępem cyklicznym, dzielimy je na 2 grupy:

1. z nieruchomym nośnikiem (zbudowane przy pomocy rejestrów przesuwających)

2. z ruchomym nośnikiem (kinetyczne pamięci magnetyczne - dyski)

• Pamięci z dostępem sekwencyjnym są pamięciami:

• na taśmach magnetycznych

• informacje zapisywane są w kolejności przychodzenia

• porcje danych nazywa się blokiem lub rekordem

• odczyt dokonuje się przez wskazanie numeru rekordu

• są nazywane pamięciami adresowanymi zawartością

• Pamięci można podzielić ze względu na sposób wybierania (taktowania) elementów z tablic na:

• pamięci z 1 WE wybierania (typu 2 D)

• wybieranie polega na tym, że WE są połączone wierszami, a końcówki danych kolumnami, gdy na WE pojawi się sygnał 1 z n wybrana jest komórka

• wzmacniacze na linii danych są sterowane sygnałem R/W

• wadą jest konieczność sterowania rozbudowanego dekodera WE

• pamięci z 2 WE wybierania (typu 3 D)

• element pamięci jest aktywny, gdy na WE wybierania pojawią się sygnały

• mają prostszą budowę, ale dłuższy czas dekodowania adresu

• Podział pamięci RAM:

• pamięci statyczne - SRAM (static memory), jej cechy: duża szybkość pracy, niewielka pojemność, duży pobór mocy, typowe zastosowanie - pamięci kieszeniowe

• pamięci dynamiczne - DRAM (dynamic memory), jej podstawowym elementem są kondensatory, jej cechy: duża pojemność, mały pobór mocy, wymagają odświeżania, typowe zastosowanie - pamięci operacyjne

• PROM (programmable ROM) - pamięć nie tracąca zawartości, jednokrotnie zapisywalne

• UVEPROM - pamięć kasowana promieniowaniem ultrafioletowym

• EEPROM - pamięć kasowana elektronicznie

• NVRAM - pamięć, w której w 1 obudowie scalono RAM i EEPROM, a w normalnym trybie pracuje RAM, a pod wpływem odpowiedniego sygnału zawartość RAM jest przepisywana do EEPROM

• Łączenie układów pamięci:

• budowa banków pamięci polega na łączeniu układów pamięci o określonej pojemności i organizacji, aby w ten sposób uzyskać zespoły pamięci o większej pojemności lub zmienionej długości słowa

• występują 2 podstawowe przypadki:

• zwiększenie (rozszerzenie) długości słowa przy niezmienionej ilości słów

• zwiększenie ilości słów przy niezmienionej długości słowa

• Inne funkcje realizowane przez bloki pamięci;

• ochrona przed utratą zawartości w przypadku zaniku napięcia

• sygnał z zasilacza o zaniku napięcia jest podawany jako przerwanie o najwyższym priorytecie (obsługa zapamiętanie stanu procesora i włączenie baterii) lub można stosować pamięć NVRAM

• Praca z przeplotem;

• przyspiesza dostęp do pamięci - polega na tym, że dostęp do banku i 1 rozpoczyna się zanim jeszcze zakończono dostęp do banku i

• Pamięć dwubramowa:- jest głównie wykorzystywana w systemach wieloprocesorowych, polega na tym, że do pamięci jest podwójne WE

• Pamięć kieszeniowa:

• zjawisko lokalności (locality)

• podczas wykonywania programu kolejne odwołania do pamięci zachodzą zwykle w pewnym niewielkim obszarze, który pokrywa się najczęściej z miejscem ulokowania programu, programy rzadko odwołują się do odległych obszarów pamięci

• do pamięci o dużej pojemności zbudowanej z kości pamięci dynamicznej dodaje się względnie niewielką, ale szybką pamięć statyczną zdolną do zapamiętywania jedynie fragmentu pamięci operacyjnej, pamięć ta nazywa się pamięcią kieszeniową (cache memory)

• Pamięć z dostępem cyklicznym (direct access memory)

• pamięć, w której każda komórka pamięci jest dostępna dla otoczenia tylko w pewnym, określonym przez zegar i powtarzanym okresowo momencie

• są realizowane jako pamięci dyskowe lub pamięci na rejestrach przesuwających

• wykorzystuje się jako pamięci masowe lub buforowe

• w tej pamięci informacja ma WE i WY jest zwykle w postaci szeregowej

• Pamięci dyskowe:

• zbudowane w ten sposób, że na cylindrycznych wirujących powierzchniach rozmieszczone są ścieżki podzielone na sektory

• informacje przechowywane są w blokach znajdujących się w sektorach

URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE:

• Podział urządzeń WE - WY:

• Można podzielić na:

• urządzenia pracujące w trybie znakowym

• urządzenia pracujące w trybie graficznym

• można też dokonać innego podziału:

• urządzenia operatorskie (human readable) - klawiatura, monitor, drukarki, pióro świetlnie itp.

• urządzenia maszynowe (machine readable) - wprowadzające informacje binarną, różnego rodzaju dyski, taśmy i itp.

• Urządzenia komunikacyjne połączone ze źródłami informacji - czujniki i sterowniki połączone z komputerem przez przetworniki - cyfrowe (A/D) i (D/A)

• Przyłączenie urządzenia WE i WY:

• są dołączone do magistrali systemowej za pośrednictwem odpowiednich sterowników (controller)

• zadanie sterownika polega na dostosowaniu łącza do magistrali systemowej

• sterownik przyjmuje polecenie obsługi do urządzenia zewnętrznego oraz procesora

• wykonanie polecenia obsługi dostępu polega na wykonaniu specjalnego programu

• procesor zgłasza żądanie dostępu do urządzenia wysyłając na magistralę adresową odpowiedni adres

• dane i rozkazy sterownik przesyła przez magistralę danych

• Współpraca sterownika z procesorem:

• Współpracują ze sobą w 3 krokach:

1. procesor wykonując rozkaz dostępu do urządzenia WE i WY wysyła adres na magistralę adresową

2. wszystkie sterowniki dekodują wysłany adres i tam sterownik, który rozpozna swój adres przechodzi w stan aktywny (ewentualnie przesyłanie parametrów transmisji)

3. następuje przesyłanie informacji

• Transmisje mogą być:

• znakowe, jeśli przesyłany jest bajt

• blokowe, jeśli przesyłany jest ciąg bajtów

• Transmisje znakowe:

• urządzenia realizujące transmisję znakową nazywamy urządzeniami znakowymi

• urządzenia znakowe są wolne (np.: wydrukowanie znaku może trwać tyle, co wykonanie 10 000 rozkazów przez procesor)

• dla synchronizacji pracy procesora z wolnym urządzeniem zewnętrznym stosuje się:

1. programową obsługę urządzeń zewnętrznych

2. współpracę polegającą na przerwaniach (interrupt) pracy komputera

• Transmisje blokowe:

• są znacznie szybsze niż znakowe

• zachodzą pomiędzy procesorem, a urządzeniem

• te transmisje mogą być realizowane:

1. pod nadzorem procesora, który wykonuje program kolejnego odczytywania komórek pamięci i przesyłania ich do urządzenia

2. pod nadzorem innego układu, który generuje adresy i sygnały synchronizujące dla procesora i urządzeń

• Sytuacje wyjątkowe:

• zdarzenia przerwania wykonania właściwego programu przez procesor i wywołanie odpowiedniego programu reakcji na te zdarzenia, mogą to być:

1. powstałe w wyniku działania programu wykonywanego przez procesor

2. przechodzące z układów współpracujących z procesorem błędy adresowania

• Zdarzenia niezamierzone:

• błędy adresowania

• błędy rozkazowe

• błędy argumentu

• Zdarzenia zamierzone:

• praca krokowa

• praca w trybie śledzenia

• praca w trybie pułapki

• Sytuacje wyjątkowe pochodzące z układów współpracujących z procesorem:

• Błędy wykryte w różnych miejscach komputera przez specjalne układy detekcji błędów:

• błąd na magistrali - żądanie dostępu do zabronionego obszaru

• błąd transmisji - wykrycie różnicy danych wysyłanych i dostarczanych

• błąd zasilania - układ elektroniczny stwierdza brak napięcia

• Zdarzenia służące synchronizacji pracy procesora z urządzeniami znacznie wolniejszymi od niego, informujące go o swojej gotowości do pracy

• Systemy przerwań:

• Zasady obsługi przerwań:

• programowa obsługa urządzeń WE - WY

• polega na okresowym sprawdzaniu przez system operacyjny stanu wszystkich sterowników

• wydłuża czas wykonania podstawowego programu

• zastosowanie w tańszych i prostszych komputerach

• Sprzętowy sposób obsługi przerwań:

• polega na tym, że procesor odbiera sygnał o powstałym zdarzeniu

• komputer musi być wyposażony w odpowiednie układy realizujące ten proces

• zastosowanie w droższych, bardziej złożonych systemach

• Zdarzenia systemowe przerwań:

1. rozpoznanie źródła przerwania

2. zapewnienie odpowiedniej kolejności obsługi wielu urządzeń, które mogą jednocześnie żądać takiej obsługi

• Programowa obsługa urządzeń WE - WY polega na tym, że:

• oprogramowanie systemowe co pewien czas powoduje przerwanie wykonania właściwego programu i dokonuje sprawdzania stanu wszystkich sterowników urządzenia

• nie występuje problem rozpoznania urządzenia, bo procesor wysyłając adresy urządzeń wie, które z nich sprawdza

• priorytetowy (priority) - system przerwań określa w tym przypadku kolejność obsługi wielu zgłoszeń przerwań

• przy obsłudze wielopoziomowej system przerwań procesora zapamiętywany jest zwykle na stosie

• Sprzętowy system przerwań:

• polega na zgłoszeniu przez sterownik urządzenia, sygnału przerwania do specjalnego układu przerwań, 2 z układ przerwań powiadamia procesor o zgłoszeniu

• dalsza obsługa przerwania może być w tym przypadku sprzętowa lub programowa

• w przypadku programowej obsługi przerwań procesor przerywa program główny i rozpoczyna program przeglądania stanu urządzeń - taki sposób pracy nazywany jest przerwaniem z przeglądaniem (poll and interput)

• Sprzętowy system przerwań:

• w przypadku dalszej sprzętowej obsługi przerwań układ przerwań musi zrealizować następujące zadania:

• rozróżnienie źródła przerwania polegające na przesłaniu procesorowi numeru (adresu) urządzenia żądającego przerwania

• wyznaczenie kolejności obsługi urządzeń

• podczas rozpoznania źródła zgłaszającego przerwanie układ przerwań tworzy słowo w kodzie NKB zwane „wektorem przerwań”

• wektor przerwań wykorzystywany jest przy tworzeniu adresu początku programu obsługi urządzeń

• kolejność obsługi urządzeń jest ustalana na podstawie priorytetów urządzeń zgłaszających przerwanie

• Typy sprzętowego systemu przerwań:

• Łańcuchowy:

• rozstrzygnięcie o kolejności (priorytecie) obsługi urządzeń następuje poprzez umiejscowienie sterownika w łańcuchu

• sterownik zgłaszający przerwanie wysyła swój numer na magistralę danych

• układ przerwań może być w stanie oczekiwania na przerwanie albo w stanie obsługi przerwania

• układ rejestruje zgłoszenie przerwania, a następnie sam znajduje, koduje i wysyła na magistralę numer urządzenia o najwyższym priorytecie

• Sterownik urządzeń zewnętrznych:

• (układ WE - WY) nazywamy układ elektroniczny pośredniczący w wymianie informacji pomiędzy procesorem i pamięcią z 1 strony, a urządzeniem zewnętrznym (peryferyjnym) z 2 strony

• dla systemu komputerowego sterownik urządzeń zewnętrznych widoczny jest jako rejestr lub zespół rejestrów o określonych adresach oraz pewien zestaw sygnałów sterujących

• Rodzaje sterowników:

• każdemu sterownikowi przyporządkowany jest adres

• jeżeli sterownik ma wiele rejestrów, to przyporządkowuje mu się więcej niż 1 adres

• stosuje się 2 sposoby umieszczania sterowników w przestrzeni wektorowej

• wspólnie z pamięcią operacyjną (w tym przypadku dostęp do urządzenia zapewniają rozkazy dostępu do pamięci)

• oddzielenie jako 2 odrębne obszary adresowania (w tym przypadku dostęp do urządzenia zapewniając obszary WE - WY)

• jeżeli linia danych sterowników składa się z wielu pojedynczych linii danych (najczęściej 8 lub więcej), to wtedy mówi się, że transmisja zachodzi równolegle, a sterownik nazywamy sterownikiem łącza równoległego

• jeżeli linia danych sterowników składa się z pojedynczej linii danych (najczęściej 8 lub więcej), to wtedy mówi się, że transmisja zachodzi szeregowo, a sterownik nazywamy sterownikiem łącza szeregowego

• jeżeli transmisje w łączu mogą zachodzić w obu kierunkach równocześnie, to łącza nazywamy dupleksowym

• jeżeli transmisja w łączu może zachodzić w obu kierunkach w rozdzielonym czasie, to łącze nazywamy pół dupleksowym

PROCESORY RODZINY INTEL 8080

• Pentium:

• 64 - bitowa magistrala danych

• 32 - bitowa magistrala adresowa

• Praca w 3 trybach:

• rzeczywisty

• chroniony tryb wirtualny

• tryb wirtualny 8086

• Architektura superskalarna:

• praca potokowa

• 2 potoki przetwarzania instrukcji stałopozycyjnych

• Sprzętowe mechanizmy ułatwiające projektowanie systemu wspomagające:

• pamięć wirtualną

• pracę wielozadaniową

• ochronę zasobów

• Przewidywanie realizacji rozgałęzień programu

• Segmentacja i stronicowanie pamięci

• Wewnętrzna jednostka arytmetyki zmiennoprzecinkowej pracująca w trybie potokowym

• 2 wewnętrzne rozdzielone pamięci podręczne (cache):

• pamięć cache dla danych

• pamięć cache dla kodu programu

• Możliwość współpracy z pamięcią cache 2 - go poziomu

1

3

ALU

Adres bitów

0

1

2

3

4

5

n=5

n=4

n=3

n=2

n=1

WE

WY

W. adres

LR 00

LR - pamięć

Dekoder LR

Dekoder HALT

Czy rozkaz wielokomórkowy

Wykonania BR

Kolejne cykle pobrania

LR - LR1

LR = LR1

A

B

C

111

010

100

001

M

RL

C

Układ sterowania

RH

R₀ = 1

RH
0 M
czynnik 1

RL
czynnik 1 STER
N

Przesunięcie w prawo

N = N - 1

RL
RL + M

START

N = 0

STOP

START

RH
0 M
czynnik 1

RL
czynnik 1 STER
N

R₀ = 1

RL
RL + M

RL₀ = 1

N = 0

N = N - 1

Przesunięcie w prawo

RL
RL + M

STOP

System mp

DANE

WYNIKI

program

PC
00

IR
MEM(PC

PC
PC + 1

DEK
IR

DEK = HALT

Czy rozkaz wielorozk

Wykonanie IR

---