Carte Arh Calculatoarelor

  • View
    35

  • Download
    1

Embed Size (px)

Transcript

  • Mihai ROMANCA Gyula SZEKELY

    Calculatoare Arhitectur i organizare

    Universitatea Transilvania Braov

    2004

  • Mihai ROMANCA Gyula SZEKELY

    CALCULATOARE

    - Arhitectur i organizare -

    2004

  • 2004 EDITURA UNIVERSITII TRANSILVANIA BRAOV

    Adresa: 500030 Braov, B-dul Eroilor, Nr. 9 Tel/Fax: 0268 47 53 48

    E-mail: editura@unitbv.ro

    Tiprit la: Tipografia Universitii Transilvania din Braov B-dul Eroilor 9 tel/fax: 0268 47 53 48

    Toate drepturile rezervate Editur acreditat de CNCSIS Adresa nr. 1615 din 29 mai 2002 Refereni tiinifici: Prof. dr. ing. Gheorghe TOACE Prof. dr. ing. Petre OGRUAN Tehnoredactare: Autorul Corectur: Autorul

    Descriere CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei ROMANCA, MIHAI Calculatoare: arhitectur i organizare/ Romanca Mihai, Szekely Gyula. Braov: Editura Universitii Transilvania, 2004

    Bibliogr. ISBN 973-635-309-5

    004

  • CUVNT NAINTE

    Cartea de fa prezint principalele aspecte ale arhitecturii i organizrii calculatoarelor numerice. Materialul este organizat astfel nct cunotinele s poat fi ctigate gradual pornind de la aspectele elementare ale organizrii pn la extensiile actuale ale arhitecturii calculatorului. Materialul este dedicat n special studenilor din nvmntul ingineresc de profil electric, constituind suportul pentru cursul de Calculatoare predat studenilor de la specializrile Electrotehnic i Electromecanic, din cadrul Facultii de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor de la Universitatea TRANSILVANIA din Braov. Obiectivele generale pe care ni le-am propus n realizarea materialului sunt: Prezentarea principalelor noiuni privind arhitectura setului de instruciuni, principii de

    funcionare i de organizare ale diferitelor variante de implementare a calculatoarelor numerice.

    Clasificarea i exemplificarea arhitecturilor moderne actuale, descrierea i analiza organizrii calculatoarelor.

    n urma asimilrii cunotinelor predate la aceast disciplina, viitorul inginer electrotehnician i va putea asuma responsabilitatea punerii n funciune a diferitelor sisteme de comand cu calculatorul numeric, a ntreinerii sau a proiectrii i construciei diferitelor interfee (acestea fiind realizabile i prin studiul suplimentar al documentaiilor de firm).

    n cadrul cursului se prezint conceptele generale privind arhitectura mainilor electronice de calcul numeric, concepte aplicabile la orice main particular. Se fac, de asemenea, dese referiri, cu titlu de exemplu, la arhitecturi particulare, de calculatoare existente pe pia. S-a ales aceasta metod de abordare, pentru c domeniul este extrem de dinamic. Arhitecturile specifice diferitelor procesoare, necesare eventual n practica viitorului inginer, sunt tratate n documentaiile de firm, i chiar dac n viitorul apropiat vor aprea noi implementri sau chiar noi arhitecturi, conceptele de baz, relativ "stabile" vor fi cele care vor uura nelegerea. Materialul cursului de fa este destinat sistemelor uni-procesor, ca o cale ctre studierea ulterioar de ctre studeni a principiilor de organizare i de utilizare a sistemelor de procesare paralel. Am organizat cartea 7 capitole, cuprinznd materia ce se pred n cele 14 sptmni ale semestrului 7 studenilor electrotehnicieni. Cartea cuprinde numeroase note de subsol, mai ales cu explicaii ale unor denumiri provenite din limba englez. Unele din noiunile englezeti din domeniul calculatoarelor sunt deja clasice, dar altele nc nu au cptat o traducere exact i apar adesea ca barbarisme n limba romn. Chiar dac se face explicarea n limba romn pentru termenii folosii peste tot se indic i termenul original din limba englez. Ne-am ferit astfel de a clca n pcatul unei traduceri care s se ndeprteze de la sensul iniial, pentru c aa cum spun italienii Tradutore - traditore!. Ateptm cu interes observaiile studenilor i colegilor la materialul de fa prin adresele noastre de e-mail: romanca@unitbv.ro i szekelyg@vega.unitbv.ro.

    Autorii

  • CUPRINS

    1. INTRODUCERE N ARHITECTURA CALCULATOARELOR ...............1 1.1. Calculatorul numeric ......................................................................................2 1.2. Arhitectura calculatorului numeric.................................................................4 1.3. Organizarea general a unui sistem uni procesor........................................5 1.4. Tendine ale tehnologiei .................................................................................7 1.5. Dezvoltare a aplicaiilor calculatoarelor numerice.........................................8 1.6. Software (programe de sistem i aplicaii) 9 1.7. Clasificarea n ordine a sistemelor numerice .................................................10 1.8. Reprezentarea funcional a unui calculator ..................................................11

    1.9. Reprezentarea structural a unui calculator ...................................................15 1.10. Scurt privire istoric asupra dezvoltrii mainilor de calcul ........................18

    2. MODALITI DE EVALUARE A PERFORMANELOR CALCULATOARELOR ......................................................................................31 2.1. Timpul, ca msur a performanelor ................................................................32 2.2. Alte uniti de msur.......................................................................................37 2.3. Programe etalon de testare a performanelor....................................................39 2.4. Compararea performanelor prin mediere ........................................................42 2.5. Legea lui Amdahl .............................................................................................46

    3. FUNDAMENTE PRIVIND ARHITECTURA UNITII CENTRALE DE PROCESARE (UCP) ......................................................................................49

    3.1. Structura de procesor........................................................................................50 3.2. Structura unei Uniti Centrale de Procesare elementare.................................56

    3.3. Perfecionarea Unitii Centrale de Procesare elementare ...............................59 3.4. Alte registre interne semnificative pentru UCP ...............................................61 3.5. Exemple privind operaiile UCP ......................................................................64 3.6. Semnale la interfaa UCP cu exteriorul ............................................................67

    3.6.1. Magistrala de adrese ..........................................................................67 3.6.2. Magistrala de date..............................................................................70 3.6.3. Magistrala de control .........................................................................70

    3.7. Reprezentarea numerelor n calculator.............................................................77 3.7.1. Reprezentarea cu virgul fix ............................................................77 3.7.2. Coduri binare folosite pentru reprezentarea numerelor cu semn.......78

    3.8. Reprezentarea numerelor n virgul mobil .....................................................83

    4. ARHITECTURA SETULUI DE INSTRUCIUNI........................................89 4.1. Introducere n arhitectura setului de instruciuni..............................................90 4.2. Formatul instruciunilor....................................................................................91 4.3. Interdependena set de instruciuni - organizare intern a procesorului ..........94 4.4. Scurt privire comparativ ntre arhitecturile RISC i CISC ...........................98 4.5. Tipuri de instruciuni ........................................................................................99

    4.5.1. Instruciuni aritmetice........................................................................100 4.5.2. Instruciuni logice ..............................................................................100 4.5.3. Instruciuni pentru transferul informaiei ..........................................101 4.5.4. Instruciuni pentru deplasarea i rotirea datelor ................................102 4.5.5. Instruciuni de ramificare (pentru controlul secvenei de program)..103

  • 4.5.6. Instruciuni pentru controlul procesorului .........................................105 4.5.7. Instruciuni pentru lucrul cu iruri .....................................................105

    4.6. Moduri de adresare...........................................................................................106 4.6.1. Adresare imediat ..............................................................................107 4.6.2. Adresare direct .................................................................................108 4.6.3. Adresare indirect..............................................................................110 4.6.4. Adresare relativ................................................................................112 4.6.5. Adresare indexat ..............................................................................113

    5. UNITATEA DE CONTROL A UCP ...............................................................115 5.1. Funciile principale ale unitii de control a UCP ............................................116 5.2. Control cablat ...................................................................................................118

    5.2.1. Metoda tabelului de tranziie a strilor..............................................119 5.2.2. Metoda sincronizrii prin numrtoare de secvene..........................120

    5.3. Controlul microprogramat ................................................................................122 5.3.