2010-05-17
Podstawy budowy
i
działania komputera
Przykład obliczeń
Oferta handlowa:
Zniżka (%) = wiek klienta
3 raty
Rata:
Dane:
Cena 315 zł
(100  37) / 100 * 315
Wiek 37 lat
3
1
2010-05-17
Przykład obliczeń
Oferta handlowa:
Zniżka (%) = wiek klienta
3 raty
Algorytm
Rata:
Dane:
Cena 315 zł
(100  37) / 100 * 315
Wiek 37 lat
3
Przykład obliczeń
Obliczenia na
kalkulatorze:
100
-
37
/
100
*
315
/
3
=
2
2010-05-17
Przykład obliczeń
Obliczenia:
1. Wpisz 100
2. Naciśnij -
3. Wpisz 37 Program
4. Naciśnij / obliczeń
5. Wpisz 100
6. Naciśnij *
7. Wpisz 315
8. Naciśnij /
9. Wpisz 3
10.Pokaż wynik =
Przykład obliczeń
Obliczenia:
1. Wpisz 100
2. Naciśnij -
3. Wpisz WIEK
4. Naciśnij /
5. Wpisz 100
Program
6. Naciśnij *
uniwersalny
7. Wpisz CENA
8. Naciśnij /
9. Wpisz 3
10.Pokaż wynik =
3
2010-05-17
Przykład obliczeń
Tabela:
Kto WIEK CENA Rata
Babcia 63 177
Dziadek 65 150
Mama 32 512
Tato 37 315
Dane
Przykład obliczeń
Tabela:
Kto WIEK CENA Rata
Babcia 63 177
Dziadek 65 150
Mama 32 512
Tato 37 315 66,15
Dane i wyniki
4
2010-05-17
Przykład obliczeń
Obliczenia:
1. Wpisz 100
2. Naciśnij -
3. Wpisz WIEK
4. Naciśnij /
5. Wpisz 100
Program z pętlą
6. Naciśnij *
7. Wpisz CENA
8. Naciśnij /
9. Wpisz 3
10.Pokaż wynik =
11.Zapisz wynik w tabelce
12.Wez
nowe WIEK i CENA i przejdz
do p.1.
Organizacja obliczeń
(z kalkulatorem)
Operator
Interpretacja poleceń,
Odczytywanie danych,
Program,
Zapisywanie wyników
Argumenty,
Wyniki
Wykonywanie działań
Kartka
Kalkulator
5
2010-05-17
Organizacja obliczeń
(w komputerze)
UKA
AD STEROWANIA
Interpretacja rozkazów
programu
Program,
Dane
Wykonywanie działań
PAMI
Ć
UKA
AD WYKONAWCZY
Wykonywanie programu
Interpretacja rozkazów
programu
Program,
Dane
Wykonywanie działań
PAMI
Ć
PROCESOR
6
2010-05-17
Pamięć
" Pamięć zewnętrzna
" Pamięć operacyjna
" RAM
" ROM
" Bajt
" Czas dostępu
" Przepustowość
" Adres
" Przestrzeń adresowa
Pamięć = urządzenie
przechowujÄ…ce informacjÄ™
(ang. memory, storage)
Działania na pamięci: Parametry pamięci:
" zapis do pamięci (write) " pojemność
" odczyt z pamięci (read) " szybkość
Nie ma przetwarzania informacji !
7
2010-05-17
Miejsce pamięci
w systemie
komputerowym
Pamięć zewnętrzna, np. Pamięć wewnętrzna
(główna, operacyjna)
" dyski stałe
" RAM
" CD ROM
" ROM
" dyskietki
" "pen drive"
Miejsce pamięci
w systemie
komputerowym
Opcjonalna Konieczna
Pamięć zewnętrzna, np. Pamięć wewnętrzna
(główna, operacyjna)
" dyski stałe
" RAM
" CD ROM
" ROM
" dyskietki
" "pen drive"
8
2010-05-17
Pamięć zewnętrzna
- Jest urzÄ…dzeniem
wejścia-wyjścia
- Przetwarzanie informacji
jest możliwe dopiero po
jej przepisaniu do pamięci
operacyjnej
- Transmisje odbywajÄ… siÄ™
w blokach (kilkadziesiÄ…t 
kilkaset bajtów)
Pamięć wewnętrzna
- Jest nieodłączną częścią
komputera
- W czasie wykonywania
programu dostarcza do
procesora kolejne rozkazy
i potrzebne dane
9
2010-05-17
Bity i bajty
Bit (binary digit)  cyfra dwójkowa (0 i 1)
[ang. odrobina, kawałek]
Byte  8 bitów [mutacja ang.  bite ugryz
ć]
Nibble  ½ bajta [ang. kÄ™s, ogryzek]
bit nibble (tetrada)
1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1
bajt (oktet) bajt (oktet)
Bajt  podstawowa jednostka pamięci
Zapis i odczyt zawsze dotyczy słów
będących wielokrotnością bajta
10
2010-05-17
Geometria dysku elastycznego
Sektor
Ścieżki
(18/ścieżkę)
(80)
Dyskietka 3,5 cala:
2 x 80 = 160 ścieżek
x 18 = 2 880 sektorów
x 512 = 1 474 560 bajtów danych
(1,44 MB)
11
2010-05-17
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
12
2010-05-17
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
Numer 1 0110 1111
Zawartość
bajta
2 0000 0001
(Adres)
3 1110 1101
4 1010 1001
5 1111 0001
...
13
2010-05-17
Organizacja pamięci operacyjnej
...
Adresy
A27D B 9 i zawartość
sÄ… zwykle
A27E 5 5
podawane
A27F F F
szesnastkowo
A280 C 6
A281 0 7
Jeden bajt 
A282 6 C
dwie cyfry hex
Pola wielobajtowe
...
Jakie słowo 4-bajtowe
A27D B 9
jest pod adresem
A27E ?
A27E 5 5
A27F F F
A280 C 6
A281 0 7
A282 6 C
14
2010-05-17
Pola wielobajtowe
...
SÅ‚owo 4-bajtowe
A27D B 9 pod adresem
A27E:
A27E 5 5
A27F F F
55 FF C6 07
A280 C 6
A281 0 7
... czy też:
A282 6 C
07 C6 FF 55 ?
Pola wielobajtowe
...
Dwie metody
A27D B 9
A27E 5 5
Big Endian
A27F F F
55 FF C6 07
A280 C 6
A281 0 7 Little Endian
07 C6 FF 55
A282 6 C
Np. Pentium
15
2010-05-17
Pamięć operacyjna
Rejestr adresu
Blok pamięci
Zapis
Adres
2k bajtów
Odczyt
p bajtów
Rejestr danych
Dane
Pojemność i adres
Rejestr adresu - k bitów
Obszar adresów - 2k bajtów
* Np.
Obszar adresów - 64 k bajtów (26 * 210 = 216)
Adres - 16 bitów
* Np.
Obszar adresów - 4 G bajty (22 * 230 = 232)
Adres - 32 bitów
16
k bitów
Mikrooperacje
2010-05-17
Pamięć operacyjna
Odczyt
Rejestr adresu
Blok pamięci
Zapis
Adres
Odczyt
Rejestr danych
Dane
Pamięć operacyjna
Odczyt
Rejestr adresu
Blok pamięci
Zapis
Adres
A1 59 C7 B3
Odczyt
Rejestr danych
Dane
17
Mikrooperacje
11 0010 1010
Mikrooperacje
11 0010 1010
2010-05-17
Pamięć operacyjna
Odczyt
Rejestr adresu
Blok pamięci
Zapis
Adres
A1 59 C7 B3
Odczyt
A1 59 C7 B3
Rejestr danych
Dane
Pamięć operacyjna
Zapis
Rejestr adresu
Blok pamięci
Zapis
Adres
Odczyt
F7
Rejestr danych
Dane
18
Mikrooperacje
11 0010 1010
Mikrooperacje
10 0110 1011
2010-05-17
Pamięć operacyjna
Zapis
Rejestr adresu
Blok pamięci
Zapis F7
Adres
Odczyt
F7
Rejestr danych
Dane
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
19
Mikrooperacje
10 0110 1011
2010-05-17
Przykład:
Częstotliwość: 133 MHz (czas 7,5 ns )
Dostęp 2 x w czasie jednego okresu
Szerokość dostępu: 8 bajtów
Przepustowość: 2 x 133MHz x 8B = 2,1 GB/s
Przestrzeń adresów
Adres p-bitowy 2p różnych adresów
0 1 ... ... 2p-1
Nie
ROM RAM I/O
implementowana
RAM (Random Access Memory) - Pamięć zapisywalna; ulotna
ROM (Read-Only Memory) - Pamięć stała; nieulotna
I/O (Input/Output) - Rejestry urządzeń we-wy
20
2010-05-17
Przestrzeń adresów
Adres p-bitowy 2p różnych adresów
0 1 ... ... 2p-1
Nie
ROM RAM I/O
implementowana
Np.
Adres 16-bitowy  maksymalna pamięć 64 kB
Adres 32-bitowy  maksymalna pamięć 4 GB
Pamięci półprzewodnikowe
Zapisywalna (RAM) - ulotna (volatile)
Dynamiczna (D-RAM) - tania, wymaga okresowego odświeżania
Statyczna (S-RAM) - szybsza, droższa, nie wymaga odświeżania
Stała (ROM) - nieulotna (nonvolatile)
EPROM (Electrically Programmable ROM)
EEPROM (Electrically Eresable Programmable ROM)
FLASH
21
2010-05-17
Co jest w pamięci
operacyjnej?
System operacyjny komputera
- zarzÄ…dza zasobami
RAM
Å‚adowana
- komunikuje siÄ™ z operatorem
z dysku
Programy użytkowe (aplikacje)
Program startowy (BIOS) ROM !
Budowa komputera
uð Model von Neumann a
uð Cykl rozkazowy
uð Pamięć operacyjna
uð Centralny procesor (CPU)
uð Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)
uð Adres pamiÄ™ci
uð Maszyna sekwencyjna
uð Rozkaz
uð Licznik rozkazów
uð SÅ‚owo rozkazowe
uð Kod operacyjny
uð Rejestry uniwersalne
22
2010-05-17
Organizacja komputera
WEJÅšCIE
PAMI
Ć PROCESOR
WYJÅšCIE
Organizacja komputera
Model von Neumann'a
M CPU
I/O
Central
Memory Input/Output
Processing
Unit
23
2010-05-17
Cykl rozkazowy
M CPU
I/O
Pobiera rozkaz
Dekoduje rozkaz
Wykonuje operacjÄ™
Cykl rozkazowy
Pobieranie
argumentów
??
Pobranie rozkazu Wykonanie rozkazu
z pamięci w procesorze
Czas
dostępu !
Procesor zawsze jest szybszy niż pamięć
24
2010-05-17
SÅ‚owo rozkazowe
A
ańcuch dwójkowy
Kod operacji Adresy argumentów
Od jednego do kilku bajtów
SÅ‚owo rozkazowe
(Przykłady)
0010 01 11 (1 bajt: 27)
 Przesuń w lewo zawartość rejestru R3
0100 10 01 0110 1111 0011 1100 (3 bajty: 49 6F 3C)
 Wpisz liczbÄ™ 6F3C do rejestru R1
25
2010-05-17
Kod programu w pamięci
35AC: 3 F
35AD: 4 7
Rozkaz 2-bajtowy pod adresem 35AD
35AE: A 2
35AF: 0 5 Rozkaz 1-bajtowy pod adresem 35AF
35B0: C 6
Rozkaz 2-bajtowy pod adresem 35B0
35B1: 0 0
35B2: 8 E
Adres
Rozkazy sÄ… wykonywane sekwencyjnie
Licznik i rejestr rozkazów
Adres następnego rozkazu
35AC: 3 F
35AD: 4 7
3 5 A D
35AE: A 2
+ 2 Długość rozkazu
35AF: 0 5
35B0: C 6
Kod pobranego rozkazu
35B1: 0 0
35B2: 8 E
4 7 A 2
Adres
26
2010-05-17
Licznik i rejestr rozkazów
Adres następnego rozkazu
35AC: 3 F
35AD: 4 7
3 5 A F
35AE: A 2
+ 1 Długość rozkazu
35AF: 0 5
35B0: C 6
Kod pobranego rozkazu
35B1: 0 0
35B2: 8 E
0 5
Adres
Licznik i rejestr rozkazów
Adres następnego rozkazu
35AC: 3 F
35AD: 4 7
3 5 B 0
35AE: A 2
+ 2 Długość rozkazu
35AF: 0 5
35B0: C 6
Kod pobranego rozkazu
35B1: 0 0
35B2: 8 E
C 6 0 0
Adres
27
2010-05-17
Bloki funkcjonalne
Licznik rozkazów
Rejestr rozkazów
Sygnały
Znaczniki
sterujÄ…ce
Arytmometr
Rejestry procesora
(pamięć lokalna)
Pamięć
operacyjna
Procesor centralny
Przepływy informacji
w czasie cyklu rozkazowego
Licznik rozkazów
Pobranie rozkazu
Adres
Rejestr rozkazów
Rozkaz
Rejestry
Arytmometr
procesora
Pamięć
operacyjna
28
2010-05-17
Przepływy informacji
w czasie cyklu rozkazowego
Licznik rozkazów
Rejestr rozkazów
Adresy argumentów
Rejestry
Arytmometr
procesora
Pamięć
Pobranie argumentów
operacyjna
Przepływy informacji
w czasie cyklu rozkazowego
Licznik rozkazów
Rejestr rozkazów
Kod
operacji
1. argument
Rejestry
Arytmometr
2. argument
procesora
Pamięć
Wynik
operacyjna
Wykonanie operacji
29
2010-05-17
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
30
2010-05-17
Zasoby pamięci
64 kB pamięci operacyjnej
4 rejestry procesora (16-bitowe)
64 k = 65 536 = 216 ,
czyli adres jest 16-bitowy
Formaty słów rozkazowych
1-bajtowe (8-bitowe):
Ä„% Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„% Ä„%Ä„%
3-bajtowe (24-bitowe):
Ä„% Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„% Ä„%Ä„% Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„% Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%
31
2010-05-17
Formaty słów rozkazowych
Identyfikator typu słowa
0 Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„% Ä„%Ä„%
Kod operacji Nr rejestru
Identyfikator Adres pamięci
1 Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„% Ä„%Ä„% Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„% Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%Ä„%
Kod operacji Nr rejestru
Lista rozkazów
A
adowanie 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)
32
2010-05-17
Kodowanie rozkazów
Rozkazy krótkie
Zapis
Kod op Działanie
symboliczny
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
Zapis
Kod op Działanie
symboliczny
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 Przejdz
do adresu adr
00110 BC adr Jeżeli C=1, to przejdz
do adresu adr
&
33
2010-05-17
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
34
2010-05-17
Przykład asemblacji (cd.)
NOT R2
0 00001 10
Hex: 06
ST 13A7, R2
1 00001 10 0001 0011 1010 0111
Hex: 86 13 A7
Przykład asemblacji (cd.)
Kod programu (hex) Postać asemblerowa
82 13 A5 LD R2, 13A5
0E SHR R2
0E SHR R2
06 NOT R2
86 13 A7 ST 13A7, R2
35
2010-05-17
Symulacja działania
programu
13A4 55
LD R2, 13A5
13A5 9E
13A6 87
13A7 3C
9E87
13A8 FF
R2
13A9 50
13AA &
Pamięć
Symulacja działania
programu
13A4 55
13A5 9E
13A6 87
13A7 3C
1001 1110 1000 0111
R2
13A8 FF
13A9 50
13AA &
Pamięć
36
2010-05-17
Symulacja działania
programu
13A4 55
13A5 9E
13A6 87
13A7 3C
1001 1110 1000 0111
R2
13A8 FF
SHR R2
13A9 50
R2
0100 1111 0100 0011
13AA &
Pamięć
Symulacja działania
programu
13A4 55
13A5 9E
13A6 87
13A7 3C
1001 1110 1000 0111
13A8 FF
SHR R2
13A9 50
R2
0100 1111 0100 0011
13AA &
Pamięć SHR R2
R2
0010 0111 1010 0001
37
2010-05-17
Symulacja działania
programu
13A4 55
13A5 9E
13A6 87
13A7 3C
R2
0010 0111 1010 0001
13A8 FF
NOT R2
13A9 50
13AA &
Pamięć
Symulacja działania
programu
13A4 55
13A5 9E
13A6 87
13A7 3C
R2
0010 0111 1010 0001
13A8 FF
NOT R2
13A9 50
13AA &
R2
1101 1000 0101 1110
Pamięć
38
2010-05-17
Symulacja działania
programu
13A4 55
ST 13A7, R2
13A5 9E
13A6 87
13A7 D8
R2
1101 1000 0101 1110
13A8 5E
13A9 50
D8 5E
13AA &
Pamięć
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
39
2010-05-17
Deasemblacja programu
Adres: Kod:
7A56 82 1000 0010 rozkaz 3-bajtowy
7A57 2C
7A58 A3
7A59 8A
7A5A 2C
7A5B A5
7A5C 02
7A5D 0E
7A5E 86
7A5F 2C
7A60 B7
Deasemblacja programu
Adres: Kod:
7A56 82 1 00000 10
7A57 2C 0010 1100 LD R2, 2CA3
7A58 A3 1010 0011
7A59 8A
7A5A 2C
7A5B A5
7A5C 02
7A5D 0E
7A5E 86
7A5F 2C
7A60 B7
40
2010-05-17
Deasemblacja programu
Adres: Kod:
7A56 82
7A57 2C LD R2, 2CA3
7A58 A3
7A59 8A 1000 1010 rozkaz 3-bajtowy
7A5A 2C
7A5B A5
7A5C 02
7A5D 0E
7A5E 86
7A5F 2C
7A60 B7
Deasemblacja programu
Adres: Kod:
7A56 82
7A57 2C
7A58 A3
7A59 8A 1 00010 10
0010 1100 ADD R2, 2CA5
7A5A 2C
1010 0101
7A5B A5
7A5C 02
7A5D 0E
7A5E 86
7A5F 2C
7A60 B7
41
2010-05-17
Deasemblacja programu
Adres: Kod:
7A56 82
7A57 2C LD R2, 2CA3
7A58 A3
7A59 8A
ADD R2, 2CA5
7A5A 2C
7A5B A5
0000 0010 rozkaz 1-bajtowy
7A5C 02
7A5D 0E
7A5E 86
7A5F 2C
7A60 B7
Deasemblacja programu
Adres: Kod:
7A56 82
7A57 2C LD R2, 2CA3
7A58 A3
7A59 8A
ADD R2, 2CA5
7A5A 2C
7A5B A5
0 00000 10 NEG R2
7A5C 02
7A5D 0E
7A5E 86
7A5F 2C
7A60 B7
42