Организация оперативной памяти

Представление данных в ЭВМ

Вся информация в ЭВМ хранится в виде наборов бит, то есть комбинаций 0 и 1. Числа представляются двоичными комбинациями в соответствии с числовыми форматами, принятыми для работы в данной ЭВМ, а символьный код устанавливает соответствие букв и других символов двоичным комбинациям.

Для чисел имеется три числовых формата:

• двоичный с фиксированной точкой;
• двоичный с плавающей запятой;
• двоично-кодированный десятичный (BCD).

В двоичном формате с фиксированной точкой числа могут быть представлены без знака (коды) или со знаком. Для представления чисел со знаком в современных ЭВМ в основном применяется дополнительный код. Это приводит к тому, что, как показано ранее, отрицательных чисел при заданной длине разрядной сетки можно представить на одно больше, чем положительных. Хотя операции в ЭВМ осуществляются над двоичными числами, для записи их в языках программирования, в документации и отображения на экране дисплея часто используют более удобное восьмеричное, шестнадцатеричное и десятичное представление.

В двоично-кодированном десятичном формате каждая десятичная цифра представляется в виде 4 битного двоичного эквивалента. Существуют две основные разновидности этого формата: упакованный и неупакованный. В упакованном BCD-формате цепочка десятичных цифр хранится в виде последовательности 4-битных групп. Например, число 3904 представляется в виде двоичного числа 0011 1001 0000 0100. В неупакованном BCD-формате каждая десятичная цифра находится в младшей тетраде 8-битной группы (байте), а содержимое старшей тетрады определяется используемой в данной ЭВМ системой кодирования, и в данном случае несущественно. То же число 3904 в неупакованном формате будет занимать 4 байта и иметь вид:

Числа с плавающей запятой обрабатываются на специальном сопроцессоре (FPU - floating point unit), который, начиная с МП I486, входит в состав БИС микропроцессора. Данные в нем хранятся в 80-разрядных регистрах. Управляя настройками сопроцессора, можно изменять диапазон и точность представления данных этого типа (таблица 14.1).

ОП является основной памятью для хранения информации. Она организована как одномерный массив ячеек памяти размером в 1 байт. Каждый из байтов имеет уникальный 20 битный физический адрес в диапазоне от 00000 до FFFFFh (здесь и далее для записи адресов используется шестнадцатеричная система счисления, признаком которой является символ h в конце кода). Таким образом, размер адресного пространства ОП составляет 2²⁰ = 1Мбайт. Любые два смежных байта в памяти могут рассматриваться как 16-битовое слово. Младший байт слова имеет меньший адрес, а старший - больший. Так шестнадцатеричное число 1F8Ah, занимающее слово, в памяти будет расположено в последовательности 8Ah, 1Fh. Адресом слова считается адрес его младшего байта. Поэтому 20 битовый адрес памяти может рассматриваться и как адрес байта, и как адрес слова.

Команды, байты и слова данных можно размещать по любому адресу, что позволяет экономить память вследствие ее более полного заполнения. Однако для экономии времени выполнения программ целесообразно размещать слова данных в памяти, начиная с четного адреса, так как микропроцессор передает такие слова за один цикл работы шины. Слово с четным адресом называется выровненным по границе слов. Невыровненные слова данных с нечетным адресом допустимы, но для их передачи требуется два цикла шины, что снижает производительность ЭВМ. Заметим, что необходимое количество циклов считывания слова данных инициируется микропроцессором автоматически. Следует иметь в виду, что при операциях со стеком слова данных должны быть выровнены, а указатель стека инициирован на четный адрес, так как в таких операциях участвуют только слова данных.

Поток команд разделяется на байты при заполнении очереди команд внутри микропроцессора. Поэтому выравнивание команд практически не влияет на производительность и не используется.

Адресное пространство ОП делится на сегменты. Сегмент состоит из смежных ячеек ОП и является независимой и отдельно адресуемой единицей памяти, которая в базовой архитектуре персональной ЭВМ имеет фиксированную емкость 2¹⁶ = 64К байт. Каждому сегменту назначается начальный (базовый) адрес, являющийся адресом первого байта сегмента в адресном поле ОП. Значение физического адреса ячейки складывается из адреса сегмента и смещения ячейки памяти относительно начала сегмента (внутрисегментное смещение). Для хранения значений адреса сегмента и смещения используются 16-битовые слова.

Чтобы получить 20-битовый физический адрес, микропроцессор автоматически осуществляет следующие операции. Значение базового адреса сегмента умножается на 16 (сдвиг на 4 разряда влево) и суммируется со значением смещения в сегменте (рис. 14.3). В результате получается 20-битовое значение физического адреса. При суммировании может возникнуть перенос из старшего бита, который игнорируется. Это приводит к тому, что ОП оказывается как бы организованной по кольцевому принципу. За ячейкой с максимальным адресом FFFFFh следует ячейка с адресом 00000h.

Рис. 14.3. Схема получения физического адреса

Сегменты физически не привязаны к конкретному адресу ОП, и каждая ячейка памяти может принадлежать одновременно нескольким сегментам, так как базовый адрес сегмента может определяться любым 16-битовым значением. Сегменты могут быть смежными, неперекрывающимися, частично или полностью перекрывающимися. Вместе с тем, в соответствии с алгоритмом вычисления физического адреса, начальные адреса сегментов всегда кратны 16.

Логические и арифметические основы и принципы работы ЭВМ

Литература: версия для печати

Учебники к курсу Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006 Варфоломеев В.А., Лецкий Э.К., Шамров М.И., Яковлев В.В. Архитектура и технологии IBM eServer zSeries Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2005 Богданов А.В., Корхов В.В., Мареев В.В., Станкова Е.Н. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2004 Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006 Список литературы Внимание! Внешние ссылки могут не работать. Пожалуйста, ищите необходимую информацию в Сети (WWW).   Аванесян Г.Р., Лёвшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник М.: Машиностроение, 1993 Атовмян И.О. Архитектура вычислительных систем М.: МИФИ, 2002 Борковский А. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с толкованиями) М.: Русский язык, 1990 Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микропроцессор i486.Архитектура, программирование, ин­терфейс М.:ДИАЛОГ-МИФИ,1993 Гуров В.В. Синтез комбинационных схем в примерах М.: МИФИ, 2001 Гуров В.В., Ленский О.Д., Соловьев Г.Н., Чуканов В.О. Архитектура, структура и организация вычислительного процесса в ЭВМ типа IBM PC М.: МИФИ, 2002. Под ред. Г.Н. Соловьева Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы М.: Энер­го­атом­из­дат, 1991 Казаринов Ю.М., Номоконов В.Н., Подклетнов Г.С. и др. Микропроцессорный ком­п­лект К1810: Структура, программирование, применение М.: Высшая школа, 1990. Под ред. Ю.М. Казаринова Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры М.: Нолидж, 1998 Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088 М.:Радио и связь, 1987 Майоров С.А., Новиков Г.И. Структура электронных вычислительных машин Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ие, 1979 Никитин В.Д., Соловьев Г.Н. Операционнные системы М.:Мир, 1989 Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов М.: Высшая школа, 1987 ГОСТ 15133-77. Приборы полупроводниковые, термины и определения ГОСТ 17021-75.Микроэлектроника, термины и определения

Логические и арифметические основы и принципы работы ЭВМ

Предметный указатель: версия для печати

ПОСТРАНИЧНО I А Б В Д З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Ц Ч Ш Э   # Ключевое слово № лекции (страницы) I     Intel-8086 14 (1),   А     автомат Неймана 10 (1),     автомат Тьюринга 10 (1),     алгебра 2 (1, 2, 3, 4),     ... Кроме обычной алгебры существует специальная, основы которой были заложены английским математиком XIX века Дж. Булем. Эта алгебра занимается так называемым исчислением высказываний. Ее особенностью является применимость для описания работы так называемых дискретных устройств, к числу которых принадлежит целый класс устройств автоматики и вычислительной техники. При этом сама алгебра выступает в качестве модели устройства. Это означает, что работа произвольного устройства указанного типа может быть лишь в каком-то отношении описана с помощью построений этой алгебры. Действительное реальное устройство физически работает не так, как это описывает алгебра логики. Однако применение положений этой теории позволяет сделать ряд полезных в практическом отношении обобщений. ... лекция 2, страница 1 »     АЛУ 12 (1), 14 (1, 2),     анализ 2 (1),     аргумент 2 (1, 2, 3),     арифметико-логическое устройство 10 (2),   Б     быстродействие 1 (1, 2),     ... Быстродействие характеризуется задержкой распространения сигнала, вносимой одним элементарным элементом (конъюнктором, дизъюнктором и т. д.). ... лекция 1, страница 1 »   В     восстановление остатка 9 (1),   Д     дешифратор адреса 12 (1),     диаграмма Вейча 4 (3, 4),     диапазон 7 (1, 2, 4, 5),     ... Диапазон изменения характеризуется теми пределами, в которых могут находиться числа, с которыми оперирует машина. ... лекция 7, страница 1 »     дизъюнкция 2 (3, 4),     ... Это сложное высказывание истинно тогда, когда истинно хотя бы одно высказывание, входящее в него. ... лекция 2, страница 4 »     дополнительный код 7 (4, 5),     ... Дополнительным называется код, в котором для положительного числа в знаковом разряде пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного в знаковом разряде пишется "1", в цифровых - дополнение числа до единицы. ... лекция 7, страница 4 »   З     запоминающее устройство 10 (2),     ... Запоминающее устройство, или память – это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом ... лекция 10, страница 2 »   И     импликанта 3 (2, 3),     ... Если функция равна нулю на наборах аргументов, на которых обращается в нуль функция F, то говорят, что является импликантой функции F (т.е. нулей у импликанты не меньше, чем у функции). ... лекция 3, страница 2 »     импликантная матрица 4 (2),     ... составляется импликантная матрица, колонки которой именуются конституентами единицы, а строки – простыми импликантами. ... лекция 4, страница 2 »     импликация 2 (3, 4),     ... Это сложное высказывание ложно только тогда, когда X1 – истинно, а X2 – ложно. ... лекция 2, страница 4 »     инверсия 2 (3),     инвертор 13 (1),     информационная технология 1 (2),   К     Квайн-Мак-Класки 4 (2),     кодирование команд 11 (1, 2),     конституента 3 (2, 3),     ... Конституентой единицы функции называют функцию, принимающую значение единицы только на одном наборе аргументов. ... лекция 3, страница 2 »     конъюнкция 2 (3, 4),     ... Функция конъюнкции истинна тогда, когда истинны одновременно оба высказывания. ... лекция 2, страница 4 »     косвенная адресация 11 (2),   Л     логическая равнозначность 2 (3, 4),     ... Это сложное высказывание истинно тогда, когда истинны или ложны одновременно оба высказывания. ... лекция 2, страница 4 »   М     мантисса 7 (2),     машина Тьюринга 10 (1),     машинная бесконечность 9 (3),     микропроцессор 14 (1, 2),     минимизация 3 (2, 3),     ... При минимизации ФАЛ стремятся получить форму, в которой будет меньше букв, чем в исходной. По отношению к ДНФ эта форма называется сокращенной (Сок. ДНФ). Смысл построения Сок. ДНФ заключается в том, что в нее входят такие элементарные произведения, которые своими единицами покрывают не одну единицу исходной функции, а несколько. ... лекция 3, страница 2 »     модифицированный код 8 (1),     ... Существо модифицированных кодов состоит в том, что к знаковому разряду добавляется ещё один разряд: ... лекция 8, страница 1 »   Н     неполностью определенная функция 5 (1),     ... Неполностью определенной функцией является такая переключательная функция, значения которой на некоторых наборах аргументов могут быть произвольными (т.е. равными "0" или "1"). ... лекция 5, страница 1 »   О     обратный код 7 (5),     ... Обратным называется код, для которого в знаковом разряде положительного числа пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного - в знаковом разряде пишется единица, в цифровых - инвертированные разряды исходного числа. ... лекция 7, страница 5 »     однородность 6 (1),     одноэлементный базис 5 (3),     ОЗУ 12 (1),     основание 6 (1, 2, 3, 4),     ... Основание системы счисления - число, которое является мощностью множества различных символов, допустимых в каждой позиции числа. ... лекция 6, страница 1 »     относительная адресация 11 (2),   П     перевод 6 (2, 3, 4),     переполнение 8 (1),     персональная ЭВМ 14 (1, 2),     плавающая запятая 7 (1, 2),     плотность упаковки 1 (1),     ... Важный показатель – плотность упаковки, количество единиц элементов, приходящихся на 1см3. ... лекция 1, страница 1 »     порядок 7 (2),     прямая адресация 11 (2),     прямой код 7 (4, 5),   Р     разряд 6 (1, 2, 3),     ранг 3 (2, 3),     ... Ранг произведения – число букв, входящих в него. ... лекция 3, страница 2 »     регистр адреса 12 (1),     регистр команд 12 (1),     регистровая память 14 (1),     регистр флагов 14 (1),   С     сдвиг делителя 9 (1),     СДНФ 3 (1, 2, 3),     сегмент 14 (1, 2),     синтез 2 (1, 2),     система логических элементов 13 (1),     система счисления 6 (1, 2, 3, 4),     ... Способ представления изображения произвольных чисел с помощью некоторого конечного множества символов назовем системой счисления. ... лекция 6, страница 1 »     СКНФ 3 (1),     сложение по модулю 2 2 (3),     способ адресации 11 (2),     стрелка Пирса 5 (2, 3),     сумматор 13 (2),     счетчик команд 12 (1),   Т     точность 7 (1, 2),   У     указатель команд 14 (1),     управляющий сигнал 12 (1),     устройство управления 10 (2), 14 (1),   Ф     физический адрес 14 (2),     фиксированная запятая 7 (1, 2, 4),     функциональная полнота 3 (1),     функция 2 (1, 2, 3, 4),   Ц     цикл выполнения команды 12 (1),   Ч     число с плавающей запятой 14 (2),   Ш     штрих Шеффера 5 (3),   Э     элемент 1 (1, 2),     элемент Неймана 10 (1),     ... Элемент Неймана (ЭН) – это устройство, которое на каждом такте пребывает в одном из конечного числа состояний ri R, образующих его алфавит ... лекция 10, страница 1 »       ПОСТРАНИЧНО I А Б В Д З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Ц Ч Ш Э