2010-05-17

1

Podstawy budowy

i

działania komputera

Oferta handlowa:

Zniżka (%) = wiek klienta

3 raty

Dane:

Cena 315 zł

Wiek 37 lat

Rata:

(100

– 37) / 100 * 315

3

Przykład obliczeń

2010-05-17

2

Oferta handlowa:

Zniżka (%) = wiek klienta

3 raty

Dane:

Cena 315 zł

Wiek 37 lat

Rata:

(100

– 37) / 100 * 315

3

Algorytm

Przykład obliczeń

Obliczenia na
kalkulatorze:

100
-
37
/
100
*
315
/
3
=

Przykład obliczeń

2010-05-17

3

Obliczenia:

100
-
37
/
100
*
315
/
3
=

1. Wpisz
2.

Naciśnij

3. Wpisz
4.

Naciśnij

5. Wpisz
6.

Naciśnij

7. Wpisz
8.

Naciśnij

9. Wpisz
10.

Pokaż wynik

Program

obliczeń

Przykład obliczeń

Obliczenia:

100
-

WIEK

/
100
*

CENA

/
3
=

1. Wpisz
2.

Naciśnij

3. Wpisz
4.

Naciśnij

5. Wpisz
6.

Naciśnij

7. Wpisz
8.

Naciśnij

9. Wpisz
10.

Pokaż wynik

Program
uniwersalny

Przykład obliczeń

2010-05-17

4

Tabela:

Dane

Kto

WIEK

CENA

Babcia

63

177

Dziadek

65

150

Mama

32

512

Tato

37

315

Rata

Przykład obliczeń

Tabela:

Dane i wyniki

Kto

WIEK

CENA

Babcia

63

177

Dziadek

65

150

Mama

32

512

Tato

37

315

Rata

66,15

Przykład obliczeń

2010-05-17

5

Obliczenia:

100
-
WIEK
/
100
*
CENA
/
3
=

1. Wpisz
2.

Naciśnij

3. Wpisz
4.

Naciśnij

5. Wpisz
6.

Naciśnij

7. Wpisz
8.

Naciśnij

9. Wpisz
10.

Pokaż wynik

11.Zapisz wynik w tabelce
12.

Weź nowe WIEK i CENA i

przejdź do p.1.

Program z pętlą

Przykład obliczeń

Organizacja obliczeń

(z kalkulatorem)

Program,

Argumenty,

Wyniki

Interpretacja poleceń,

Odczytywanie danych,

Zapisywanie wyników

Wykonywanie działań

Kalkulator

Kartka

Operator

2010-05-17

6

Organizacja obliczeń

(w komputerze)

Program,

Dane

Interpretacja rozkazów
programu

Wykonywanie działań

PAMIĘĆ

UKŁAD STEROWANIA

UKŁAD WYKONAWCZY

Wykonywanie programu

Program,

Dane

Interpretacja rozkazów
programu

Wykonywanie działań

PAMIĘĆ

PROCESOR

2010-05-17

7

Pamięć

• Pamięć zewnętrzna
• Pamięć operacyjna
• RAM
• ROM
• Bajt
• Czas dostępu
• Przepustowość
• Adres
• Przestrzeń adresowa

Pamięć = urządzenie

przechowujące informację

(ang. memory, storage)

Działania na pamięci:

• zapis do pamięci

(write)

• odczyt z pamięci

(read)

Parametry pamięci:

• pojemność

• szybkość

Nie ma przetwarzania informacji !

2010-05-17

8

Miejsce pamięci

w systemie

komputerowym

Pamięć zewnętrzna, np.

• dyski stałe

• CD ROM

• dyskietki

• "pen drive"

Pamięć wewnętrzna
(główna, operacyjna)

• RAM

• ROM

Miejsce pamięci

w systemie

komputerowym

Pamięć zewnętrzna, np.

• dyski stałe

• CD ROM

• dyskietki

• "pen drive"

Pamięć wewnętrzna
(główna, operacyjna)

• RAM

• ROM

Opcjonalna

Konieczna

2010-05-17

9

Pamięć zewnętrzna

-

Jest urządzeniem

wejścia-wyjścia

- Przetwarzanie informacji

jest możliwe dopiero po
jej przepisaniu do pamięci
operacyjnej

-

Transmisje odbywają się

w blokach (kilkadziesiąt –
kilkaset bajtów)

Pamięć wewnętrzna

-

Jest nieodłączną częścią

komputera

- W czasie wykonywania

programu dostarcza do
procesora kolejne rozkazy
i potrzebne dane

2010-05-17

10

1

0

1

1

0

1

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

bit

bajt

bajt

nibble

(tetrada)

(oktet)

(oktet)

Bit (binary digit)

– cyfra dwójkowa (0 i 1)

[ang.

odrobina, kawałek]

Byte

– 8 bitów [mutacja ang. „bite” ugryźć]

Nibble

– ½ bajta [ang. kęs, ogryzek]

Bity i bajty

Bajt

– podstawowa jednostka pamięci

Zapis i odczyt zawsze dotyczy słów

będących wielokrotnością bajta

2010-05-17

11

Ścieżki

(80)

Sektor
(18/ścieżkę)

Geometria dysku elastycznego

Dyskietka 3,5 cala:

2 x 80

= 160

ścieżek

x 18

= 2 880

sektorów

x 512

= 1 474 560

bajtów danych

(1,44 MB)

2010-05-17

12

Ile potrzeba pamięci?

Ile potrzeba pamięci?

Strona tekstu A4

czcionka 10p; 102 znaki w wierszu;
60 wierszy na stronie

6120 bajtów

Książka 200 str.

ok. 1,2 MB

Muzyka na CD

1 sekunda = 75 bloków
po 588 „sampli” 4-bajtowych

176 400 bajtów

1 minuta

ok. 10 MB

2010-05-17

13

Ile potrzeba pamięci?

Ekran w trybie znakowym

25 wierszy po 80 znaków (kod znaku + atrybut)

4000 bajtów

Ekran w trybie graficznym

1024 x 768 pikseli; kolor 32-bitowy

ponad 3 MB

Organizacja pamięci operacyjnej

0

0010 1101

1

0110 1111

2

0000 0001

3

1110 1101

4

1010 1001

5

1111 0001

...

Numer

bajta

(Adres)

Zawartość

2010-05-17

14

Organizacja pamięci operacyjnej

...

A27D

B 9

A27E

5 5

A27F

F F

A280

C 6

A281

0 7

A282

6 C

Adresy
i zawartość
są zwykle
podawane
szesnastkowo

Jeden bajt

–

dwie cyfry hex

Pola wielobajtowe

...

A27D

B 9

A27E

5 5

A27F

F F

A280

C 6

A281

0 7

A282

6 C

Jakie słowo 4-bajtowe
jest pod adresem
A27E ?

2010-05-17

15

Pola wielobajtowe

...

A27D

B 9

A27E

5 5

A27F

F F

A280

C 6

A281

0 7

A282

6 C

Słowo 4-bajtowe
pod adresem
A27E:

55 FF C6 07

... czy też:

07 C6 FF 55 ?

Pola wielobajtowe

...

A27D

B 9

A27E

5 5

A27F

F F

A280

C 6

A281

0 7

A282

6 C

55 FF C6 07

07 C6 FF 55

Big Endian

Little Endian

Np. Pentium

Dwie metody

2010-05-17

16

Pamięć operacyjna

Adres

Dane

Zapis

Odczyt

Rejestr adresu

Rejestr danych

Blok pamięci

k

b

itó

w

2

k

bajtów

p

bajtów

M

ikr

o

o

p

e

ra

cj

e

Pojemność i adres

* Np.

Obszar adresów - 64 k bajtów (2

6

* 2

10

= 2

16

)

Adres -

16 bitów

Rejestr adresu - k

bitów

Obszar adresów - 2

k

bajtów

* Np.

Obszar adresów - 4 G bajty (2

2

* 2

30

= 2

32

)

Adres -

32 bitów

2010-05-17

17

Pamięć operacyjna

Odczyt

Adres

Dane

Zapis

Odczyt

Rejestr adresu

Rejestr danych

Blok pamięci

M

ikr

o

o

p

e

ra

cj

e

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

Pamięć operacyjna

Odczyt

Adres

Dane

Zapis

Odczyt

Rejestr adresu

Rejestr danych

Blok pamięci

M

ikr

o

o

p

e

ra

cj

e

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

C7

59

B3

A1

2010-05-17

18

Pamięć operacyjna

Odczyt

Adres

Dane

Zapis

Odczyt

Rejestr adresu

Rejestr danych

Blok pamięci

M

ikr

o

o

p

e

ra

cj

e

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

C7

59

B3

A1

A1 59 C7 B3

Pamięć operacyjna

Zapis

Adres

Dane

Zapis

Odczyt

Rejestr adresu

Rejestr danych

Blok pamięci

M

ikr

o

o

p

e

ra

cj

e

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

F7

2010-05-17

19

Pamięć operacyjna

Zapis

Adres

Dane

Zapis

Odczyt

Rejestr adresu

Rejestr danych

Blok pamięci

M

ikr

o

o

p

e

ra

cj

e

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

F7

F7

Szybkość pamięci

Czas dostępu

– czas od ustawienia adresu

do odczytania danych (nanosekundy; 10

-9

s)

Przepustowość

– liczba bajtów (lub bitów) przesyłana do/z

pamięci w ciągu sekundy

2010-05-17

20

Częstotliwość:

133 MHz (czas 7,5 ns )

Dostęp

2 x w czasie jednego okresu

Szerokość dostępu:

8 bajtów

Przepustowo

ść:

2 x 133MHz x 8B = 2,1 GB/s

Przykład:

Przestrzeń adresów

Adres p-bitowy

2

p

różnych adresów

RAM (Random Access Memory)

- Pami

ęć zapisywalna; ulotna

ROM (Read-Only Memory)

- Pami

ęć stała; nieulotna

I/O (Input/Output)

- Rejestry urz

ądzeń we-wy

ROM

RAM

Nie

implementowana

I/O

0 1 ...

... 2

p

-1

2010-05-17

21

Przestrzeń adresów

Adres p-bitowy

2

p

różnych adresów

ROM

RAM

Nie

implementowana

I/O

0 1 ...

... 2

p

-1

Np.

Adres 16-bitowy

– maksymalna pamięć 64 kB

Adres 32-bitowy

– maksymalna pamięć 4 GB

Pami

ęci półprzewodnikowe

Zapisywalna (RAM) - ulotna (

volatile

)

Dynamiczna (D-RAM)

- tania, wymaga okresowego od

świeżania

Statyczna (S-RAM)

- szybsza, dro

ższa, nie wymaga odświeżania

Sta

ła (ROM) - nieulotna (

nonvolatile

)

EPROM (Electrically Programmable ROM)

EEPROM (Electrically Eresable Programmable ROM)

FLASH

2010-05-17

22

Co jest w pamięci

operacyjnej?

System operacyjny komputera

-

zarządza zasobami

-

komunikuje się z operatorem

Programy użytkowe (aplikacje)

Program startowy (BIOS)

RAM
ładowana
z dysku

ROM !

Budowa komputera



Model von Neumann’a



Cykl rozkazowy



Pamięć operacyjna



Centralny procesor (CPU)



Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)



Adres pamięci



Maszyna sekwencyjna



Rozkaz



Licznik rozkazów



Słowo rozkazowe



Kod operacyjny



Rejestry uniwersalne

2010-05-17

23

Organizacja komputera

PAMIĘĆ

PROCESOR

WEJŚCIE
WYJŚCIE

Organizacja komputera

M

CPU

I/O

Model von Neumann'a

Memory

Central

Processing

Unit

Input/Output

2010-05-17

24

Cykl rozkazowy

M

CPU

I/O

Pobiera rozkaz

Dekoduje rozkaz

Wykonuje operację

Cykl rozkazowy

Pobranie rozkazu

z pamięci

Wykonanie rozkazu

w procesorze

Czas

dostępu !

Pobieranie

argumentów

??

Procesor zawsze jest szybszy niż pamięć

2010-05-17

25

Słowo rozkazowe

Adresy argumentów

Kod operacji

Od jednego do kilku bajtów

Łańcuch dwójkowy

Słowo rozkazowe

(Przykłady)

0100 10

01

0110 1111 0011 1100

(3 bajty: 49 6F 3C)

„

Wpisz liczbę

6F3C

do rejestru

R1

”

0010 01

11

(1 bajt: 27)

„

Przesuń w lewo zawartość rejestru

R3

”

2010-05-17

26

Kod programu w pamięci

3 F

35AC:

4 7

A 2

0 5

C 6

0 0

8 E

35AD:

35AE:

35AF:

35B0:

35B1:

35B2:

Adres

Rozkaz 2-bajtowy pod adresem 35AD

Rozkaz 1-bajtowy pod adresem 35AF

Rozkaz 2-bajtowy pod adresem 35B0

Rozkazy są wykonywane sekwencyjnie

Licznik i rejestr rozkazów

3 F

35AC:

4 7

A 2

0 5

C 6

0 0

8 E

35AD:

35AE:

35AF:

35B0:

35B1:

35B2:

Adres

3 5 A D

Adres następnego rozkazu

Kod pobranego rozkazu

4 7 A 2

+ 2

Długość rozkazu

2010-05-17

27

Licznik i rejestr rozkazów

3 F

35AC:

4 7

A 2

0 5

C 6

0 0

8 E

35AD:

35AE:

35AF:

35B0:

35B1:

35B2:

Adres

3 5 A F

Adres następnego rozkazu

Kod pobranego rozkazu

0 5

+ 1

Długość rozkazu

Licznik i rejestr rozkazów

3 F

35AC:

4 7

A 2

0 5

C 6

0 0

8 E

35AD:

35AE:

35AF:

35B0:

35B1:

35B2:

Adres

3 5 B 0

Adres następnego rozkazu

Kod pobranego rozkazu

C 6 0 0

+ 2

Długość rozkazu

2010-05-17

28

Bloki funkcjonalne

Licznik rozkazów

Rejestr rozkazów

Rejestry procesora

(pamięć lokalna)

Arytmometr

Procesor centralny

Pamięć

operacyjna

Sygnały
sterujące

Znaczniki

Przepływy informacji

w czasie cyklu rozkazowego

Licznik rozkazów

Rejestr rozkazów

Arytmometr

Rejestry
procesora

Pamięć
operacyjna

Adres

Rozkaz

Pobranie rozkazu

2010-05-17

29

Przepływy informacji

w czasie cyklu rozkazowego

Licznik rozkazów

Rejestr rozkazów

Arytmometr

Rejestry
procesora

Pamięć
operacyjna

Adresy argumentów

Pobranie argumentów

Przepływy informacji

w czasie cyklu rozkazowego

Licznik rozkazów

Rejestr rozkazów

Arytmometr

Rejestry
procesora

Pamięć
operacyjna

1. argument

2. argument

Kod
operacji

Wynik

Wykonanie operacji

2010-05-17

30

Wielkość słów

maszynowych

W pamięci

8 b (1 Bajt)

Adresy

16 b; 32 b; 64 b

Rejestry procesora 16 b; 32 b; 64 b

Rozkazy

Od 1 B do kilkunastu B (CISC)

32 b (4 B) (RISC)

Model komputera

2010-05-17

31

Zasoby pamięci

64 kB pamięci operacyjnej

4 rejestry procesora (16-bitowe)

64 k = 65 536 = 2

16

,

czyli adres jest 16-bitowy

Formaty słów rozkazowych

1-bajtowe (8-bitowe):

□ □□□□□ □□

3-bajtowe (24-bitowe):

□ □□□□□ □□ □□□□□□□□ □□□□□□□□

2010-05-17

32

Formaty słów rozkazowych

Identyfikator typu słowa

0

□□□□□ □□

Kod operacji Nr rejestru

Identyf ikator

Adres pamięci

1

□□□□□ □□ □□□□□□□□ □□□□□□□□

Kod operacji Nr rejestru

Lista rozkazów

Ładowanie rejestru z pamięci

Zapamiętanie rejestru w pamięci

Przesuwanie zawartości rejestru

Zerowanie rejestru

Dodawanie liczb

Odejmowanie liczb

Iloczyn logiczny łańcuchów dwójkowych

Uzupełnienie logiczne łańcucha dwójkowego

Przejście do wskazanego rozkazu (skok)

2010-05-17

33

Kodowanie rozkazów

Rozkazy krótkie

Kod op

Zapis

symboliczny

Działanie

00000

NEG r

Zmiana znaku liczby w rej.

00001

NOT r

Uzupełnienie logiczne bitów

00010

CLR r

Zerowanie rejestru

00011

SHR r

Przesunięcie w prawo

00100

SHL r

Przesunięcie w lewo

00101

ROR r

Przesunięcie cykliczne w prawo

00110

ROL r

Przesunięcie cykliczne w lewo

…

Kodowanie rozkazów

Rozkazy długie

Kod op

Zapis

symboliczny

Działanie

00000

LD r, adr

Przepisz słowo (16b) spod adr do rej.

00001

ST adr, r

Przepisz słowo z rej. r pod adres adr

00010

ADD r, adr

Dodaj (wynik w rej.)

00011

SUB r, adr

Odejmij (wynik w rej.)

00100

AND r, adr

Iloczyn logiczny (wynik w rej.)

00101

JMP adr

Przejdź do adresu adr

00110

BC adr

Jeżeli C=1, to przejdź do adresu adr

…

2010-05-17

34

Przykład programu

w języku asemblera XM-06

LD

R2, 13A5

SHR

R2

SHR

R2

NOT

R2

ST

13A7, R2

Przykład asemblacji

LD

R2, 13A5

1

00000 10 0001 0011 1010 0101

Hex: 82 13 A5

SHR

R2

0 00011 10

Hex: 0E

2010-05-17

35

Przykład asemblacji (cd.)

ST

13A7, R2

1

00001 10 0001 0011 1010 0111

Hex: 86 13 A7

NOT

R2

0 00001 10

Hex: 06

Przykład asemblacji (cd.)

LD

R2, 13A5

SHR

R2

SHR

R2

NOT

R2

ST

13A7, R2

82 13 A5

0E

0E

06

86 13 A7

Kod programu (hex)

Postać asemblerowa

2010-05-17

36

Symulacja działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

3C

13A8

FF

13A9

50

13AA

…

9E87

LD R2, 13A5

R2

Pamięć

Symulacja działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

3C

13A8

FF

13A9

50

13AA

…

1001 1110 1000 0111

R2

Pamięć

2010-05-17

37

Symulacja działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

3C

13A8

FF

13A9

50

13AA

…

1001 1110 1000 0111

SHR

R2

R2

0100 1111 0100 0011

Pamięć

R2’

Symulacja działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

3C

13A8

FF

13A9

50

13AA

…

1001 1110 1000 0111

SHR

R2

R2

0100 1111 0100 0011

0010 0111 1010 0001

SHR

R2

Pamięć

R2’

2010-05-17

38

Symulacja

działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

3C

13A8

FF

13A9

50

13AA

…

R2

0010 0111 1010 0001

NOT R2

Pamięć

Symulacja

działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

3C

13A8

FF

13A9

50

13AA

…

R2

0010 0111 1010 0001

NOT R2

1101 1000 0101 1110

Pamięć

R2’

2010-05-17

39

Symulacja działania

programu

13A4

55

13A5

9E

13A6

87

13A7

D8

13A8

5E

13A9

50

13AA

…

R2

1101 1000 0101 1110

ST 13A7, R2

Pamięć

D8

5E

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

2010-05-17

40

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

1

000 0010 rozkaz 3-bajtowy

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

1 00000 10

0010 1100 LD R2, 2CA3

1010 0011

2010-05-17

41

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

1

000 1010 rozkaz 3-bajtowy

LD R2, 2CA3

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

1 00010 10

0010 1100 ADD R2, 2CA5

1010 0101

2010-05-17

42

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

0

000 0010 rozkaz 1-bajtowy

LD R2, 2CA3

ADD R2, 2CA5

Deasemblacja programu

Adres:

Kod:

7A56

82

7A57

2C

7A58

A3

7A59

8A

7A5A

2C

7A5B

A5

7A5C

02

7A5D

0E

7A5E

86

7A5F

2C

7A60

B7

0 00000 10 NEG R2

LD R2, 2CA3

ADD R2, 2CA5