Раздел 1. Программно-аппаратная архитектура процессоров

1. Клюев М. Понимание того, как строится изображение на экране, поможет делать оптимальный выбор при работе с графикой на компьютере.
2. A. Клецель Форматы графических файлов Сайт "Библиотека сайтостроительства" статья датирована 1998-2003.
3. КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА. ПРАКТИКУМ.
4. А. Клецель Форматы графических файлов Obzor
5. Шабаршин А.А. Введение во фракталы

Раздел 1. Программно-аппаратная архитектура процессоров

Тема1. Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным, в него входят следующие компоненты:

1. Структурная схема ЭВМ;

2. Средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

3. Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ (интерфейс – это способ взаимодействия между отдельными элементами структурной схемы ЭВМ);

4. Набор и доступность регистров (регистр – это внутренний элемент памяти какого-либо элемента структурной схемы ЭВМ. Каждый элемент памяти состоит из набора ячеек, в которых хранятся данные);

5. Организация и способы адресации памяти (адресация - это методы и правила определения уникального номера, так называемого адреса, ячейки элемента памяти);

6. Способы представления и форматы данных ЭВМ:

7. Набор машинных команд ЭВМ;

8. Форматы машинных команд;

9. Правила обработки внештатных ситуаций. Такие правила называются прерываниями.

Таким образом, архитектура ЭВМ включает в себя всю необходимую для программиста информацию о компьютере.

Все современные компьютеры обладают некоторыми общими и индивидуальными архитектурными свойствами. Индивидуальные свойства присущи только конкретной модели компьютера и отличают ее от своих больших и малых собратьев. Общие архитектурные свойства, наоборот, присущи некоторой, часто довольно большой группе компьютеров.

На сегодняшний день общие архитектурные свойства большинства современных компьютеров объединяются понятием фон-неймановской архитектуры. Так названа архитектура по имени ученого фон Неймана. Фон Нейман предложил использование двоичной логики в архитектуре компьютера.

Структурная схема архитектуры фон Неймана содержит 5 основных блоков:

Аккумулятор является регистром АЛУ. Блок АЛУ, содержащий аккумулятор называется процессором.

Основные принципы работы архитектуры фон Неймана:

1. Линейное пространство памяти. Для оперативного хранения информации компьютер имеет совокупность ячеек с последовательной нумерацией (адресами) 0, 1, 2 … Данная совокупность ячеек называется оперативной памятью.

2. Принцип хранимой программы. Согласно этому принципу, код программы и ее данные находятся в одном и том же адресном пространстве оперативной памяти.

3. Принцип микропрограммирования. Суть этого принципа заключается в том, что машинный язык, с помощью которого строится программа, не является достаточным для функционирования компьютера. В состав блока управления входит устройство микропрограммного управления. Оно поддерживает набор специальных сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения каждой машинной команды.

4. Последовательное выполнение программ.Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды. Они называются командами условного и безусловного переходов.

5. Отсутствие разницы между данными и командами в памяти. С точки зрения процессора, нет принципиальной разницы между данными и командами. Данные и команды находятся в одном пространстве памяти в виде последовательности нулей и единиц. Процессор, поочередно обрабатывая некоторые ячейки памяти, всегда пытается трактовать содержимое ячеек как коды машинных команд, а если это не так, то происходит аварийное завершение программы. Поэтому важно всегда четко разделять и в программе и в памяти область данных и область команд.

6. Безразличие к назначению данных. Для компьютера не имеет значение, какая логическая роль у обрабатываемых им данных.

Архитектура фон Неймана используется как основа при разработке процессоров фирмы Intel. На этой основе в фирме Intel была разработана единая архитектура процессоров, которая получила обозначение IA-32. В процессе создания новых процессоров фирмы Intel эта архитектура постоянно изменяется и развивается. При создании нового процессора в архитектуру IA-32 вносится одно или несколько архитектурных новшеств.

В рамках архитектуры IA-32 существует и развивается ряд микроархитектур. На сегодняшний день в рамках IA-32 существуют две микроархитектуры процессоров Intel: P6 и NetBurst. Эти микроархитектуры отличаются способами с средствами, которыми процессор выполняет обработку машинного кода.

Тема 2. Программная модель IA-32

Любая выполняемая программа получает в свое распоряжение определенный набор ресурсов процессора. Эти ресурсы необходимы для обработки и хранения в памяти команд и данных программы, а также информации о текущем состоянии программы и процессора. Программную модель процессора в архитектуре IA-32 процессоров Intel составляет следующий набор ресурсов:

Процессор может работать в различных режимах. Перевод процессора из одного режима в другой осуществляется специальными программными и аппаратными методами.

В рамках архитектуры IA-32 доступны следующие режимы работы процессора:

1. Режим реальных адресов – этот режим предназначен для обеспечения в новых моделях процессоров возможности функционирования программ, разработанных для ранних моделей процессоров.

2. Защищенный режим - этот режим отличается особенностями формирования физических адресов ячеек памяти. В этом режиме невозможно выполнение программ, разработанных для ранних моделей процессоров.

3. Режим виртуального процессора – этот режим предназначен для организации многозадачной работы программ, разработанных для режима реальных адресов совместно с программами защищенного режима.

4. Режим системного управления – это новый режим работы процессора. Он обеспечивает операционную систему механизмом для выполнения специальных функций, таких как перевод ПК в режим пониженного энергопотребления или выполнения действий по защите системы. Для перехода в этот режим процессор должен получить специальный сигнал от программируемого контроллера прерываний. Возврат из этого режима выполняется специальной командой процессора.

Процессор всегда начинает работу в режиме реальных адресов.

Регистры – регистрами называются области высокоскоростной памяти, расположенные внутри процессора.

Доступ к регистрам осуществляется значительно быстрее, чем к ячейкам оперативной памяти. Поэтому машинные команды, расположенные в регистрах, выполняются максимально быстро. Регистры используются при разработке программ на языке низкого уровня Ассемблер. Поэтому программы, написанные на Ассемблере, являются самыми быстродействующими.

Регистры имеют определенное функциональное назначение:

1. Регистры общего назначения – EAX, EBX, EDX, ECX, EBP, ESI, EDI, ESP. Они предназначены для хранения данных и адресов. Программист может их использовать для реализации своих алгоритмов.

2. Сегментные регистры – CS, DS, SS, ES, FS,GS. Они используются для хранения адресов сегментов памяти.

3. Регистры сопроцессора– ST(0), ST(1), ST(2), ST(3), ST(4), ST(5), ST(6), ST(7). Они предназначены для написания программ, использующих тип данных с плавающей точкой.

4. Целочисленные регистры ММХ-расширения – ММХ0, ММХ1, ММХ2, ММХ3, ММХ4, ММХ5, ММХ6, ММХ7. Они предназначены для написания программ обработки мультимедийной мнформации.

5. Регитсры ММХ-расширения с плавающей точкой – ХММ0, ХММ1, ХММ2, ХММ3, ХММ4, ХММ5, ХММ6, ХММ7. Они предназначены для написания программ обработки мультимедийной мнформации, использующих тип данных с плавающей точкой.

6. Регистры состояния и управления– FLAGS, EIP. Они содержат информацию о состояния процессора, выполняющего текущую программу, и позволяют изменить это состояние.

Тема 3. Набор регистров