Podręcznik

1.2. Architektura von Neumanna

Większość współczesnych komputerów (a dokładniej procesorów) ma architekturę stanowiącą pewną modyfikację podstawowej koncepcji von Neumanna. Procesor o architekturze von Nuemanna (mówimy także organizacja von Neumanna lub maszyna von Neumanna - ang. von Neumann machine) organizacja składa się z:

• pamięci operacyjnej PAO (składającej się z komórek o długości n)
• licznika rozkazów LR (ang. Program Counter lub Program Pointer, stosowane skróty to PC lub PP)
• rejestru rozkazów RR (ang. Instruction Register, stosowany skrót to IR)
• części wykonawczej (część wykonawcza realizuje rozkazy m.in. rozkazy arytmetyczne i logiczne np. rozkazy dodawania, odejmowania itd)
• części sterującej (interpretującej rozkazy)

Podstawowym pojęciem jest rozkaz, instrukcja (ang. instruction) czyli elementarne polecenie. Lista wszystkich elementarnych poleceń nazywa się listą rozkazów (ang. instruction set) lub listą instrukcji. Pojęć rozkaz i instrukcja będziemy w dalszym ciągu używali wymiennie. Czasami mówimy instrukcja maszynowa lub rozkaz maszynowy dla podkreślenia, że jest to instrukcja w powyższym sensie i dla odróżnienia jej od instrukcji w języku wysokiego poziomu. Elementarne polecenie jest zapisywane w postaci słowa binarnego i po przesłaniu do rejestru rozkazów RR jest interpretowane i wykonywane.

Ciąg rozkazów („sensowny ciag rozkazów”, „ciąg rozkazów realizujący pewien algorytm”) nazywamy programem. Podstawowym celem działania procesora jest wykonanie programu zapisanego w pamięci na danych również zapisanych w tej samej pamięci. Krok po kroku wykonujemy instrukcje stanowiące program.

Procesor działa w cyklach rozkazowych. W jednym cyklu rozkazowym procesor wykonuje jedną instrukcję. Rozkazy są pobierane do wykonania po kolei zgodnie z adresem wskazywanym przez licznik rozkazów LR. Na początku cyklu rozkazowego zawartość LR jest zwiększana o 1, tzn. dokonujemy podstawienia LR := LR + 1, po czym z komórki pamięci o adresie zawartym w LR pobierana jest kolejna instrukcja programu. Jednak dopuszczalna jest zmiana kolejności wykonywania instrukcji tzw. rozkazem skoku. Rozkaz skoku sprowadza się do załadowania rejestru LR nową wartością.

Patrząc na słowo zawarte w komórce PAO w zasadzie nie możemy powiedzieć, czy jest to rozkaz czy słowo danych.

Rys.1. Architektura von Neumanna; program to ciąg instrukcji

Architektura von Neumanna ma 3 charakterystyczne cechy

• Dane i rozkazy są pamiętane w tej samej pamięci umożliwiającej zapis i odczyt z dowolnej komórki pamięci
• Wykonanie rozkazów programu następuje kolejno rozkaz po rozkazie (poza sytuacją gdy następuje tzw. skok).
• Patrząc na słowo binarne zawarte w komórce pamięci nie wiemy czy to jest rozkaz czy dane.

Ważnym pojęciem w architekturze komputerów jest słowo maszynowe (ang. machine word). Jest to typowa dla danego procesora (mikroprocesora) struktura słowa, którym operujemy w systemie. Jeśli słowo maszynowe jest 8-bitowe mówimy, że procesor, mikroprocesor czy system komputerowy jest 8-bitowy, jeśli 32_bitowe, to 32-bitowy itd. Typowe długości słowa maszynowego to 8, 16, 32 i 64 bity.

Rys.2. Najprostsza struktura procesora; koncepcja minimum procesora to RR, LR, układ sterowania, zestaw rejestrów, sumator i rejestr stanu

Według przyjętej w opisie architektury von Neumanna definicji, procesor to licznik rozkazów LR, rejestr rozkazów RR, układ sterowania, układ wykonawczy i pamięć operacyjna. Często jednak zwłaszcza w systemach mikroprocesorowych nie zaliczamy pamięci operacyjnej do procesora. Procesor wykonany w postaci układu scalonego nazywamy mikroprocesorem. Schemat blokowy najprostszego procesora pokazany jest na rys.2. Na ogół procesor jest jednak znacznie bardziej skomplikowany, ponieważ zależy nam na tym by wydajność obliczeniowa, czyli jak mówimy moc obliczeniowa procesora, była jak największa.

Czasami procesor (zwłaszcza w dużych systemach komputerowych) nazywamy jednostką centralną lub CPU (ang. Central Processor Unit).

Z fizycznego punktu widzenia cykl rozkazowy to ciąg skończony taktów zegara, w których procesor wykonuje daną instrukcję. Instrukcje zależnie od ich stopnia skomplikowania mogą potrzebować różnej liczby taktów zegara na realizację. Podstawowy schemat cyklu rozkazowego z podziałem na cykl pobierania i cykl wykonania rozkazu pokazany jest na rys.3. Cykl rozkazowy dzieli się na ogół na tzw. cykle maszynowe (ang. machine cycle) zawierające pojedyncze odwołania do pamięci.

Rys. 3. Podstawowy cykl rozkazowy

Pamięć operacyjna (ang. operational memory) lub pamięć główna (ang. main memory) to pamięć RAM w której przechowywany jest wykonywany program i dane.

Język maszynowy (ang. machine language) to zbiór wszystkich słów binarnych interpretowanych jako rozkazy procesora. Programowanie w takim języku, czyli pisanie programów, jest bardzo niewygodne. Żeby ułatwić programiście operowanie instrukcjami stosuje się symboliczny zapis rozkazów.

Mnemonik (ang. mnemonic) to symboliczny zapis rozkazu. Np. typowym mnemonikiem dla rozkazu przesłania zawartości rejestru B do rejestru akumulatora A jest: MOV A, B

Asembler (ang. assembler) to język programowania, w którym każdej instrukcji odpowiada dokładnie jedna instrukcja maszynowa. Asemblerem nazywamy też program tłumaczący programy zapisane w tym języku na język maszynowy.