Жизненный цикл «Самодостаточной ЭВМ»

Самодостаточная ЭВМ

Опр.Самодостаточная ЭВМ - электронное устройство, состоящее из трех компонентов: память + процессор + программа.

Память (оперативная память)

Опр. Оперативная память – упорядоченная последовательность одинаковых электронных элементов называемых байтами.

Опр. Байт – электронный элемент, состоящий из восьми последовательно расположенных электронных элементов называемых битами.

Внутри байта биты нумеруются слева направо числами 0,1,2…7.

Опр. Бит - простейший электронный элемент, который может находиться только в двух взаимоисключающих состояниях, интерпретируемых компьютером как числа 0 и 1.

Состояние бита изменяется в результате воздействия процессора.

В качестве имен байтов выступают их порядковые номера в оперативной памяти ЭВМ. Оперативная память современных ЭВМ измеряется миллионами байт (Мб).

Опр. Ячейка памяти - несколько байтов, расположенных последовательно. Имя ячейки - адрес (номер) ее первого байта.

Содержимое битов ячейки является бинарным кодом некой информации. Любой бинарный код может быть расшифрован в форме натурального числа.

Пример.

Ячейка из трех байтов

Пример. Дешифровка бинарного кода первого байта из приведенной ячейки, как натурального числа в десятичной системе счисления

00100111₂ =0×2⁷+0×2⁶+1×2⁵+0×2⁴+0×2³+1×2²+1×2¹+1×2⁰=39₁₀

Напоминание: бинарный код в памяти записывается слева направо, а в привычной символьной записи чисел наоборот – справа налево.

Принято выделять два типа информационного содержимого ячеек памяти:

а) данные (исходные и результирующие), т.е. информация для обработки процессором или информация, полученная в результате проведенной обработки,

б) команды (действия), которые необходимо выполнить процессору для получения из исходных данных - результирующих.

Итоговые определения и выводы.

Опр. Информационным объектом (ИО) ЭВМ является фрагмент оперативной памяти ЭВМ.

Опр. Базовыми ИО (конструктивная реализация) являются фрагменты оперативной памяти стандартного размера (1, 2, 4, 8 и т.д. байт), содержимое которых интерпретируется как числа или логические переменные.

Вывод: информация, предназначенная для обработки ЭВМ, должна быть помещена в оперативную память ЭВМ в виде набора стандартных ИО.

Процессор

Опр. Процессор – электронное устройство ЭВМ, способное заполнять битовым содержимым ячейки памяти сообразно битовому содержимому неких других ячеек памяти.

Свойства:

1) количество операций (алгоритмов) создания нового содержимого ограничено и образует множество базовых операций обработки;

2) количество разновидностей (по размеру и структуре) обрабатываемых процессором фрагментов памяти ограничено и образует множество базовых объектов обработки процессора.

Для современных ЭВМ количество базовых объектов обработки и базовых операций обработки исчисляется всего несколькими десятками.

Основные действия процессора:

а) чтение бинарных кодов из указанных ячеек памяти;

б) преобразование прочитанных кодов сообразно указанной стандартной операции в новый бинарный код;

в) записать полученного бинарного кода в указанную ячейку памяти.

Рабочий режим процессора основан на зацикленной последовательности следующих действий:

1. Из активной командной ячейки памяти процессор:

а) считывает код операций обработки (код операций определяет размер всей ячейки с командой).

б) считывает адреса ячеек памяти, где находится исходная информация для обработки,

в) считывает адрес ячейки памяти, куда следует поместить результат обработки.

2. Сообразно прочтенным коду операции и адресам копирует исходные данные из оперативной памяти в собственную память-регистры,

3. Сообразно прочтенному коду операции, обрабатывает исходные данные и получает новые результирующие данные.

4. Записывает эти данные в память по ранее прочтенному адресу.

5. Пересчитывает адрес активной командной ячейки памяти: добавляет к текущему адресу размер только что выполненной командной ячейки. В результате активной становиться следующая ячейка памяти.

6. Возвращается в состояние п.п.(1).

Конструкция процессора ЭВМ предусматривает единственную возможность изменения типичного рабочего режима процессора – это специальная команда, принудительно изменяющая адрес активной ячейки. В транскрипции естественного языка, эта команда озвучивается так: если содержимое указанной ячейки с исходными данными содержит не нулевые биты, то в качестве адреса активной ячейки следует взять числовой код из второй ячейки. Если же содержимое первой указанной ячейки с исходными данными состоит из одних нулей, то следует стандартно изменить адрес активной ячейки памяти, т.е. перейти к выполнению следующей командной ячейки.

Важно осознать: процессор работающей ЭВМ никогда не бывает в пассивном состоянии - он постоянно выполняет какие-то команды: возможно бесконечно повторяя одну и ту же последовательность действий.

Фатальный исход для процессора может наступить в следующем случаях:

а) в командной ячейке указан код операций обработки, который не предусмотрен создателями ЭВМ,

б) в командной ячейке указан адрес ячейки памяти, которая отсутствует в оперативной памяти,

в) предложенные процессору исходные данные (информация) не могут быть обработаны указанной операцией из-за не соответствия форматов входных и выходных данных.

Вывод: содержимое командных ячеек должно соответствовать тому, что умеет делать процессор (что предусмотрено конструкцией ЭВМ).

Итоговые определения и выводы.

Для ЭВМ, информационной операцией обработки (ОО) является любая последовательность воздействий изменяющих битовое содержимое оперативной памяти ЭВМ.

Базовыми ОО ЭВМ являются те воздействия на оперативную память, которые происходят при активизации специальных (предусмотренных конструкторами) фрагментов аппарата-процессора.

Для большинства персональных ЭВМ набор базовых ОО реализует известные из средней школы арифметические и логические операции, а также сравнение и пересылку информации в границах оперативной памяти.

Программа

Опр. Командная ячейка памяти: строго упорядоченная последовательность байтов памяти, бинарный код которой содержит:

а) номер (числовое имя) операций обработки

б) номера (адреса) ячеек памяти с исходными данными (аргументами) для данной операции обработки.

в) номер (адрес) ячейки памяти, куда следует поместить результат обработки исходных данных, т.е. результат выполнения процессором данной операции обработки.

Конструктивные особенности командных ячеек:

а) Размер памяти для размещения кода операции ровно 1 байт.

б) Размер кода с адресом любой ячейки памяти ровно 4 байта.

в) Количество адресов в командной ячейке определяется кодом операции.

Вывод: Размер командной ячейки легко вычисляется.

Операции классифицируются по количеству задействованных исходных данных (аргументов):

а) Бинарные операции - два аргумента, один результат:

Пример: а +b→с (операция сложения) или а/b→с (операция деления).

Командные ячейки, описывающие такие операции, содержат по три адреса данных.

б) Унарные операции - один аргумент и один результат:

Пример: а²→b, или sin(а)→b.

Соответствующие командные ячейки содержат по два адреса данных.

Опр. Программа - последовательность командных ячеек.

Фрагмент оперативной памяти с программой имеет структуру:

где:

K_i – числовой код i-ой операции (занимает место ровно 1 байт), A_{i 1} , A_{i 2} ... – адреса ячеек с исходной или результирующей информацией задействуемой в i-ой операции (каждый адрес занимает ровно 4 байта памяти).

Жизненный цикл «Самодостаточной ЭВМ»

1. Автомату подано питание – включена ЭВМ.

2. Из статического запоминающего устройства (обычно это внешняя память ЭВМ - винчестер) в стандартное место оперативной памяти переписывается содержимое – головная программа ЭВМ.

3. В процессор вносится стандартный адрес первой активной ячейки памяти, т.е. адрес начала переписанной программы.

4. Активизируется действие процессора.

5. Процессор обрабатывает команду активной ячейки и переходит к следующей. Переписанная из статического запоминающего устройства программа имеет зацикленную структуру, т.е. последовательность ее командных ячеек, обязательно завершается командой управления: сделать активной ячейку памяти с адресом начала программы. Таким образом, п.п.5 будет выполняться бесконечно.

6. Аппарат отключили от питания - смерть ЭВМ.

В реальных, ЭВМ, изначально считываемая в память программа называется «ядром операционной системы» или «программой загрузки ЭВМ». Основная задача этой программы прочитать в память из указанного места (внешнего носителя информации), другую, очень большую и сложную программу (собственно операционную систему) и активизировать ее. Программа «операционная система » также имеет зацикленную структуру.