Большинство команд учебной ЭВМ являются одноадресными или безадресными, длиной в одно машинное слово (6 разрядов). Исключение составляют двухсловные команды с непосредственной адресацией и команда Mov, являющаяся двухадресной.
В форматах команд выделяется три поля:
∙ два старших разряда [0:1] определяют код операции СОР;
∙ разряд 2 может определять тип адресации (в одном случае (формат 5а) он
определяет номер регистра);
∙ разряды [3:5] могут определять прямой или косвенный адрес памяти, номер регистра (в команде номера двух регистров), адрес перехода или короткий непосредственный операнд. В двухсловных командах непосредственный операнд занимает поле [6:11].
Полный список форматов команд показан на рис. 8.3, где приняты следующие обозначения:
∙ СOР — код операции;
∙ ADR — адрес операнда в памяти;
∙ ADC — адрес перехода;
∙ I — непосредственный операнд;
∙ R, Rl, R2 — номер регистра;
∙ ТА — тип адресации;
∙ Х — разряд не используется.
В ЭВМ принято различать пять основных способов адресации: прямая, косвенная, непосредственная, относительная, безадресная.
Каждый способ имеет разновидности. В модели учебной ЭВМ реализованы семь способов адресации, приведенные в табл. 8.1.
Система команд учебной ЭВМ включает команды следующих классов:
• арифметико-логические и специальные: сложение, вычитание, умножение, деление;
• пересылки и загрузки: чтение, запись, пересылка (из регистра в регистр), помещение в стек, извлечение из стека, загрузка указателя стека, загрузка базового регистра;
• ввода/вывода: ввод, вывод;
• передачи управления: безусловный и шесть условных переходов, вызов подпрограммы, возврат из подпрограммы, цикл, программное прерывание, возврат из прерывания;
• системные: пустая операция, разрешить прерывание, запретить прерывание, стон.
Список команд учебной ЭВМ приведен в табл. 8.4 и 8.6.
8.4. Состояния и режимы работы ЭВМ
Ядром УУ ЭВМ является управляющий автомат (УА), вырабатывающий сигналы управления, которые инициируют работу АЛУ, РОН, ОЗУ и УВВ, передачу информации между регистрами устройств ЭВМ и действия над содержимым регистров УУ.
ЭВМ может находиться в одном из двух состояний: Останов и Работа. В состояние Работа ЭВМ переходит по действию команд Пуск или Шаг. Команда Пуск запускает выполнение программы, представляющую собой последовательность команд, записанных в ОЗУ, в автоматическом режиме до команды от или точки останова. Программа выполняется по командам, начиная с ячейки ОЗУ, на которую указывает РС, причем изменение состояний объектов модели отображается в окнах обозревателей.
В состояние Останов ЭВМ переходит по действию команды Стоп или автоматически в зависимости от установленного режима работы.
Команда Шаг, в зависимости от установленного режима работы, запускает выполнение одной команды или одной микрокоманды (если установлен Режим микрокоманд), после чего переходит в состояние Останов.
В состоянии Останов допускается просмотр и модификация объектов модели: регистров процессора и РОН, ячеек ОЗУ, устройств ввода/вывода. В процессе модификации ячеек ОЗУ и РОН можно вводить данные для программы, в ячейки ОЗУ — программу в кодах. Кроме того, в режиме Останов можно менять параметры модели и режимы ее работы, вводить и/или редактировать программу в мнемокодах, ассемблировать мнемокоды, выполнять стандартные операции с файлами.
В программной модели учебной ЭВМ использован стандартный интерфейс Windows, реализованный в нескольких окнах.
Основное окно модели Модель учебной ЭВМ содержит основное меню и кнопки на панели управления. В рабочее поле окна выводятся сообщения о функционировании системы в целом. Эти сообщения группируются в файле logfile.txt (по умолчанию), сохраняются на диске и могут быть про анализированы после завершения сеанса работы с моделью. Меню содержит следующие пункты и команды:
Файл:
• неактивные команды;
• Выход.
Вид:
• Показать все;
• Скрыть все;
• Процессор;
• Микрокомандный уровень;
• Память;
• Кэш-память;
• Программа;
• Текст программы.
Внешние устройства:
• Менеджер ВУ;
• окна подключенных ВУ;
Работа:
• Пуск;
• Стоп;
• Шаг;
• Режим микрокоманд;
• Кэш-память;
• Настройки.
Команды меню Вид открывают окна соответствующих обозревателей, описанные далее. Менеджер внешних устройств позволяет подключать/отключать внешние устройства, предусмотренные в системе. Команда вызова менеджера внешних устройств выполняется при нажатии кнопки на панели инструментов. Подробнее о внешних устройствах и их обозревателях смотрите в разд. 8.б.
Команды меню Работа позволяют запустить программу в автоматическом (команда Пуск) или шаговом (команда Шаг) режиме, остановить выполнение программы в модели процессора (команда Стоп). Эти команды могут выполняться при нажатии соответствующих одноименных кнопок на панели инструментов основного окна.
Команда Режим микрокоманд включает/выключает микрокомандный режим работы процессора, а команда Кэш-память подключает/отключает в системе модель этого устройства.
Команда Настройки открывает диалоговое окно Параметры системы, позволяющее установить задержку реализации командного цикла (при выполнении программы в автоматическом режиме), а так же установить параметры файла logfile.txt, формируемого системой и записываемого на диск.
8.5.1. Окна основных обозревателей системы
Окно Процессор
Окно Процессор (рис. 8.4) обеспечивает доступ ко всем регистрам и флагам процессора.
Программно-доступные регистры и флаги:
Асс — аккумулятор;
PC — счетчик адреса команды, содержащий адрес текущей команды;
SP — указатель стека, содержащий адрес верхушки стека;
RB — регистр базового адреса, содержащий базовый адрес;
RA — регистр адреса, содержащий исполнительный адрес при косвенной адресации;
• IR — входной регистр;
• OR — выходной регистр;
• I — флаг разрешения прерываний.
Системные регистры и флаги:
DR — регистр данных АЛУ, содержащий второй операнд;
MDR — регистр данных ОЗУ;
MAR — регистр адреса ОЗУ;
RDR — регистр данных блока РОН;
RАR — регистр адреса блока РОН;
CR — регистр команд, содержащий поля:
COP — код операции;
ТА — тип адресации;
ADR — адрес или непосредственный операнд;
Z — флаг нулевого значения Асс
S — флаг отрицательного значения Асс;
ОV — флаг переполнения.
Регистры Асс, DR, IR, OR, CR и все ячейки ОЗУ и РОН имеют длину 6 десятичных разрядов, регистры РС, SP, RA и RB — 3 разряда. В окне Процессор отражаются текущие значения регистров и флагов, причем в состоянии Останов все регистры, включая регистры блока РОН, и флаги (кроме флага 1) доступны для непосредственного редактирования.
Элементы управления окна Процессор включают меню и кнопки, вызывающие команды:
Сохранить;
Загрузить;
Reset;
Reset RO-R9 (только команда меню Работа).
Команды Сохранить, Загрузить позволяют сохранить текущее значение регистров и флагов процессора в файле и восстановить состояние процессора из файла. Команда Reset и кнопка R устанавливают все регистры (в т. ч. блок РОН) в начальное (нулевое) значение. Содержимое ячеек памяти при этом не меняется. Выполняемая лишь из меню Работа команда Reset RO-К9. очищает только регистры блока РОН.
Окно Память (рис. 8.5) отражает текущее состояние ячеек ОЗУ. В этом окне допускается редактирование содержимого ячеек, кроме того, предусмотрена возможность выполнения (через меню или с помощью кнопок панели инструментов) пяти команд: Сохранить, Загрузить, Перейти к, Вставить, Убрать.
Команды Сохранить, Загрузить во всех окнах, где они предусмотрены, работают одинаково — сохраняют в файле текущее состояние объекта (в данном случае памяти) и восстанавливают это состояние из выбранного файла, причем файл в каждом окне записывается по умолчанию с характерным для этого окна расширением.
Команда Перейти к открывает диалоговое окно, позволяющее перейти на заданную ячейку ОЗУ.
Команда Убрать открывает диалог, в котором указывается диапазон ячеек с т по n. Содержимое ячеек в этом диапазоне теряется, а содержимое ячеек [(n+1): 999] перемещается в соседние ячейки с меньшими адресами. Освободившиеся ячейки с адресами 999, 998, ... заполняются нулями.
Команда Вставить, позволяющая задать номера ячеек, перемещает содержимое всех ячеек, начиная от m-й на n — т позиций в направлении больших адресов, ячейки заданного диапазона [т:n] заполняются нулями, а содержимое последних ячеек памяти теряется.
Окно Текст программы (рис. 8.6) содержит стандартное поле текстового редактора, в котором можно редактировать тексты, загружать в него текстовые файлы и сохранять подготовленный текст в виде файла.
Команды меню Файл:
Новая — открывает новый сеанс редактирования;
Загрузить — открывает стандартный диалог загрузки файла в окно редактора;
Сохранить — сохраняет файл под текущим именем;
Сохранить как — открывает стандартный диалог сохранения файла;
Вставить — позволяет вставить выбранный файл в позицию курсора.
Все перечисленные команды, кроме последней, дублированы кнопками на панели инструментов окна. На той же панели присутствует еще одна кнопка — Компилировать, которая запускает процедуру ассемблирования текста в поле редактора.
Ту же процедуру можно запустить из меню Работа. Команда Адрес вставки позволяет задать адрес ячейки ОЗУ, начиная с которой программа будет размещаться в памяти. По умолчанию этот адрес принят равным 0.
Ниже области редактирования в строку состояния выводится позиция текущей строки редактора — номер строки, в которой находится курсор.
В случае обнаружения синтаксических ошибок в тексте программы диагностические сообщения процесса компиляции выводятся в окно сообщений и запись в память кодов (даже безошибочного начального фрагмента программы) не производится.
После исправления ошибок и повторной компиляции выдается сообщение об отсутствии ошибок, о расположении и размере области памяти, занятой под ассемблированную программу.
Набор текста программы производится по стандартным правилам языка ассемблера. В каждой строке может содержаться метка, одна команда и комментарий. Метка отделяется от команды двоеточием, символы после знака "точка с запятой" до конца строки игнорируются компилятором и могут рассматриваться как комментарии. Строка может начинаться с; и, следовательно, содержать только комментарии.
Окно Программа (рис. 8.7) отображает таблицу, имеющую 300 строк и 4 столбца. Каждая строка таблицы соответствует дизассемблированной ячейке ОЗУ. Второй столбец содержит адрес ячейки ОЗУ, третий — дизассемблированный мнемокод, четвертый — машинный код команды. В первом столбце может помещаться указатель -> на текущую команду (текущее значение РС) и точка останова — красная заливка ячейки.
Окно Программа позволяет наблюдать процесс прохождения программы. В этом окне ничего нельзя редактировать. Органы управления окна позволяют сохранить содержимое окна в виде текстового файла, выбрать начальный адрес области ОЗУ, которая будет дизассемблироваться (размер области постоянный — 300 ячеек), а также установить/снять точку останова. Последнее можно проделать тремя способами: командой Точка останова из меню Работа, кнопкой на панели инструментов или двойным щелчком мыши в первой ячейке соответствующей строки. Характерно, что прочитать в это окно ничего нельзя. Сохраненный текстовый asm-файл можно загрузить в окно Текст программы, ассемблировать его и тогда дизассемблированное значение заданной области памяти автоматически появится в окне Программа. Такую процедуру удобно использовать, если программа изначально пишется или редактируется непосредственно в памяти в машинных кодах.
Начальный адрес области дизассемблирования задается в диалоге командой Начальный адрес меню Работа.
Окно Микрокомандный уровень (рис. 8.8) используется только в режиме микрокоманд, который устанавливается командой Режим микрокоманд меню Работа. В это окно выводится мнемокод выполняемой команды, список микрокоманд, ее реализующих, и указатель на текущую выполняемую микрокоманду.
Шаговый режим выполнения программы или запуск программы в автоматическом режиме с задержкой командного цикла позволяет наблюдать процесс выполнения программы на уровне микрокоманд.
Если открыть окно Микрокомандный уровень, не установив режим микрокоманд в меню Работа, то после начала выполнения программы в режиме Шаг (или в автоматическом режиме) в строке сообщений окна будет выдано сообщение "Режим микрокоманд неактивен".
Окно Кэш-память используется в режиме с подключенной кэш-памятью. Подробнее смотрите об этом режиме в разд. 8.8.
Модели внешних устройств (ВУ), используемые в описываемой системе, реализованы по единому принципу. С точки зрения процессора они представляют собой ряд программно-доступных регистров, лежащих в адресном пространстве ввода/вывода. Размер регистров ВУ совпадает с размером ячеек памяти и регистров данных процессора — шесть десятичных разрядов.
Доступ к регистрам ВУ осуществляется по командам IN аа, OUT аа, где аа-
двухразрядный десятичный адрес регистра ВУ. Таким образом, общий объем адресного пространства ввода/вывода составляет 100 адресов. Следует помнить, что адресные пространства памяти и ввода/вывода в этой модели разделены.
Разные ВУ содержат различное число программно-доступных, регистров, каждому из которых соответствует свой адрес, причем нумерация адресов всех ВУ начинается с 0. При создании ВУ ему ставится в соответствие базовый адрес в пространстве ввода/вывода, и все адреса его регистров становятся смещениями относительно этого базового адреса.
Если в системе создаются несколько ВУ, то их базовые адреса следует выбирать с учетом величины адресного пространства, занимаемого этими устройствами, исключая наложение адресов.
Если ВУ способно формировать запрос на прерывание, то при создании ему ставится в соответствие вектор прерывания — десятичное число. Разным ВУ должны назначаться различные векторы прерываний.
Программная модель учебной ЭВМ комплектуется набором внешних устройств, включающим:
• контроллер клавиатуры;
• дисплей;
• блок таймеров;
• тоногенератор,
которым по умолчанию присвоены параметры, перечисленные в табл. 8.2.
При создании устройств пользователь может изменить назначенные по умолчанию базовый адрес и вектор прерывания.
В описываемой версии системы не предусмотрена возможность подключения в систему нескольких одинаковых устройств.
Большинство внешних устройств содержит регистры управления CR и состояния SR, причем обычно регистры CR доступны только по записи, а SR — по чтению.
Регистр CR содержит флаги и поля, определяющие режимы работы ВУ, а SR — флаги, отражающие текущее состояние BУ. Флаги SR устанавливаются аппаратно, но сбрасываются программно (или по внешнему сигналу). Поля и флаги CR устанавливаются и сбрасываются программно при записи кода данных в регистр CR или специальными командами.
Контроллер ВУ интерпретирует код, записываемый по адресу CR как команду, если третий разряд этого кода равен 1, или как записываемые в CR данные, если третий разряд равен 0. В случае получения командного слова запись в регистр CR не производится, а пятый разряд слова рассматривается как код операции.
Контроллер клавиатуры (рис. 8.9) представляет собой модель внешнего устройства, принимающего ASCII-коды от клавиатуры ПЭВМ.
Символы помещаются последовательно в буфер символов, размер которого установлен равным 50 символам, и отображаются в окне обозревателя (рис. 8.10).
В состав контроллера клавиатуры входят три программно-доступных регистра:
DR (адрес 0) — регистр данных;
CR (адрес 1) — регистр управления, определяет режимы работы контроллера и содержит следующие флаги:
• Е — флаг разрешения приема кодов в буфер;
• 1 — флаг разрешения прерывания;
• S — флаг режима посимвольного ввода.
SR (адрес 2) — регистр состояния, содержит два флага:
• Err — флаг ошибки;
• Rd — флаг готовности.
Регистр данных DR доступен только для чтения, через него считываются ASCII-коды из буфера, причем порядок чтения кодов из буфера соответствует порядку их записи в буфер — каждое чтение по адресу 0 автоматически перемещает указатель чтения буфера. В каждый момент времени DR содержит код символа по адресу указателя чтения буфера.
Флаги регистра управления CR устанавливаются и сбрасываются программно.
Флаг Е, будучи установленным, разрешает прием кодов в буфер. При Е =0 контроллер игнорирует нажатие на клавиатуре, прием кодов в буфер не производится. На считывание кодов из буфера флаг Е влияния не оказывает.
Флаг I, будучи установленным, разрешает при определенных условиях формирование контроллером запроса на прерывание. При 1 = 0 запрос на прерывание не формируется.
Флаг S = 1 устанавливает т. н. режим посимвольного ввода, иначе контроллер работает в обычном режиме. Флаг S устанавливается и сбрасывается программно, кроме того, S сбрасывается при нажатии кнопки Очистить буфер в окне Контроллер клавиатуры.
Условия формирования запроса на прерывание определяются, с одной стороны, значением флага разрешения прерывания 1, с другой — режимом работы контроллера. В режиме посимвольного ввода запрос на прерывание формируется после ввода каждого символа (разумеется, при I= 1), в обычном режиме запрос будет сформирован по окончании набора строки.
Завершить набор строки можно, щелкнув по кнопке Завершить ввод в окне Контроллер клавиатуры (см. рис. 8.10). При этом устанавливается флаг готовности Rd (от англ. ready) в регистре состояния SR. Флаг ошибки Err (от англ. error) в том же регистре устанавливается при попытке ввода в буфер 51-го символа. Ввод 51-го и всех последующих символов блокируется.
Сброс флага Rd осуществляется автоматически при чтении из регистра DR, флаг Err сбрасывается программно. Кроме того, оба эти флага сбрасываются при нажатии кнопки Очистить буфер в окне Контроллер клавиатуры; одновременно со сбросом флагов производится очистка буфера — весь буфер заполняется кодами 00h, и указатели записи и чтения устанавливаются на начало буфера.
Для программного управления контроллером предусмотрен ряд командных слов. Все команды выполняются при записи по адресу регистра управления CR кодов с 1 в третьем разряде.
Контроллер клавиатуры интерпретирует следующие командные слова:
ххх101 — очистить буфер (действие команды эквивалентно нажатию кнопки Очистить буфер);
xxxl02 — сбросить флаг Err в регистре SR;
ххх103 — установить флаг S в регистре CR;
ххх104 — сбросить флаг S в регистре CR.
Если по адресу 1 произвести запись числа ххх0nn, то произойдет изменение
4-го и 5-ro разрядов регистра CR по следующему правилу:
Дисплей (рис. 8.11) представляет собой модель внешнего устройства, реализующую функции символьного дисплея. Дисплей может отображать символы, задаваемые ASCII-кодами, поступающими на его регистр данных. Дисплей включает:
• видеопамять объемом 128 слов (ОЗУ дисплея);
• символьный экран размером 8 строк по 16 символов в строке;
• четыре программно-доступных регистра:
• DR (адрес 0) — регистр данных;
• CR (адрес 1) — регистр управления;
• SR (адрес 2) — регистр состояния;
• AR (адрес 3) — регистр адреса.
Через регистры адреса AR и данных DR по записи и чтению осуществляется доступ к ячейкам видеопамяти. При обращении к регистру DR по записи содержимое аккумулятора записывается в DR и в ячейку видеопамяти, адрес которой установлен в регистре AR.
Регистр управления CR доступен только по записи и содержит в 4-м и 5-м разрядах соответственно два флага:
Е — флаг разрешения работы дисплея; при Е = 0 запись в регистры AR и DR блокируется;
А — флаг авто инкремента адреса; при А = 1 содержимое AR автоматически увеличивается на 1 после любого обращения к регистру DR — по записи или чтению.
Изменить значения этих флагов можно, если записать по адресу CR (по умолчанию — 11) код xxx0nn, при этом изменение 4-гo и 5-го разрядов регистра CR произойдет согласно выражению (8.1).
Для программного управления дисплеем предусмотрены две команды, коды которых должны записываться по адресу регистра CR, причем в третьем разряде командных слов обязательно должна быть 1:
• ххх101 — очистить дисплей (действие команды эквивалентно нажатию кнопки Очистить в окне Дисплей), при этом очищается видеопамять (в каждую ячейку записывается код пробела — 032),
• устанавливается в 000 регистр адреса AR и сбрасываются флаги ошибки Err и авто инкремента А;
• xxx102 — сбросить флаг ошибки Err
Регистр состояния SR доступен только по чтению и содержит единственный флаг (в пятом разряде) ошибки Err. Этот флаг устанавливается аппаратно при попытке записать в регистр адреса число, большее 127, причем как в режиме прямой записи в AR, так и в режиме авто инкремента после обращения по адресу 127. Сбрасывается флаг Err программно или при нажатии кнопки Очистить в окне Дисплей (рис. 8.12).
Блок таймеров (рис. 8.13) включает в себя три однотипных канала, каждый из которых содержит:
• пятиразрядный десятичный реверсивный счетчик Т, на вход которого поступают метки времени (таймер);
• программируемый предделитель D;
• регистр управления таймером CTR;
• флаг переполнения таймера FT.
Регистры таймеров Т доступны по записи и чтению (адреса 1, 3, 5 соответственно для Tl, Т2, T3). Программа в любой момент может считать текущее содержимое таймера или записать в него новое значение.
На входы предцелителей поступает общие для всех каналов метки времени СЬК с периодом 1 мс. Предделители в каждом канале программируются независимо, поэтому таймеры могут работать с различной частотой.
Регистры управления CTR доступны по записи и чтению (адреса 2, 4, 6) и содержат следующие поля:
Т (разряд 5) — флаг включения таймера;
EI (разряд 4) — флаг разрешения формирования запроса на прерывание при переполнении таймера;
I/D) (разряд 3) — направление счета (инкремент/декремент), при I/D=0 таймер работает на сложение, при I/D = 1 — на вычитание;
k (разряды [1:2]) — коэффициент деления предделителя (от 1 до 99).
Флаги переполнения таймеров собраны в один регистр — доступный только по чтению регистр состояния SR, имеющий адрес О. Разряды регистра (5, 4 и 3 для Tl, Т2, T3 соответственно) устанавливаются в 1 при переполнении соответствующего таймера. Для таймера, работающего на сложение, переполнение наступает при переходе его состояния из 99 999 в О, для вычитающего таймера — переход из 0 в 99 999.
В окне обозревателя (рис. 8.14) предусмотрена кнопка Сброс, нажатие которой сбрасывает в 0 все регистры блока таймеров, кроме CTR, которые устанавливаются в состояние 001000. Таким образом, все три таймера обнуляются, переключаются в режим инкремента, прекращается счет, запрещаются прерывания, сбрасываются флаги переполнения и устанавливаются коэффициенты деления предделителей равными 01.
Программное управление режимами блока таймеров осуществляется путем записи в регистры CTR соответствующих кодов. Запись по адресу SR числа с 1 в третьем разряде интерпретируется блоком таймеров как команда, причем младшие разряды этого числа определяют код команды:
хххl00 — общий сброс (эквивалентна нажатию кнопки Сброс в окне обозревателя);
xxx101 — сброс флага переполнения таймера FT1;
xxxl02 — сброс флага переполнения таймера FT2;
ххх103 — сброс флага переполнения таймера FT3.
Модель этого простого внешнего устройства не имеет собственного обозревателя, содержит всего два регистра, доступных только для записи:
FR (адрес 0) — регистр частоты звучания (Гц):
LR (адрес 1) — регистр длительности звучания (мс).
По умолчанию базовый адрес тоногенератора — 30. Сначала следует записать в FR требуемую частоту тона в герцах, затем в LR — длительность звучания в миллисекундах. Запись числа по адресу регистра LR одновременно является командой на начало звучания.
В модели учебной ЭВМ предусмотрен механизм векторных внешних прерываний. Внешние устройства формируют запросы на прерывания, которые поступают на входы контроллера прерываний. При подключении ВУ, способного формировать запрос на прерывание, ему ставится в соответствие номер входа контроллера прерываний — вектор прерывания, принимающий значение в диапазоне 0 — 9.
Контроллер передает вектор, соответствующий запросу, процессору, который начинает процедуру обслуживания прерывания.
Каждому из возможных в системе прерываний должен соответствовать т. н. обработчик прерывания — подпрограмма, вызываемая при возникновении события конкретного прерывания.
Механизм прерываний, реализованный в модели учебной ЭВМ, поддерживает таблицу векторов прерываний, которая создается в оперативной памяти моделью операционной системы (если она используется) или непосредственно пользователем.
Номер строки таблицы соответствует вектору прерывания, а элемент таблицы — ячейка памяти, в трех младших разрядах которой размещается начальный адрес подпрограммы, обслуживающей прерывание с этим вектором.
Таблица прерываний в рассматриваемой модели жестко фиксирована — она занимает ячейки памяти с адресами 100 — 109. Таким образом, адрес обработчика с вектором 0 должен располагаться в ячейке 100, с вектором 2 — в ячейке 102. При работе с прерываниями не рекомендуется использовать ячейки 100 — 109 для других целей.
Процессор начинает обработку прерывания (если они разрешены), завершив текущую команду. При этом он:
1. Получает от контроллера вектор прерывания.
2. Формирует и помещает в верхушку стека слово, три младших разряда ([3:5]) которого — текущее значение РС (адрес возврата из прерывания), а разряды [1:2] сохраняют десятичный эквивалент шестнадцатеричной цифры, определяющей значение вектора флагов (I, ОV, S, Z). Например, если I = 1, ОV = 0, S = 1, Z = 1, то в разряды [1:2] запишется число 1110 =10112.
3. Сбрасывает в 0 флаг разрешения прерывания I.
4. Извлекает из таблицы векторов прерываний адрес обработчика, соответствующий обслуживаемому вектору, и помещает его в РС, осуществляя тем самым переход на подпрограмму обработчика прерывания.
Таким образом, вызов обработчика прерывания, в отличие от вызова подпрограммы, связан с помещением в стек не только адреса возврата, но и текущего значения вектора флагов. Поэтому последней командой подпрограммы обработчика должна быть команда IRET, которая не только возвращает в РС три младшие разряда ячейки — верхушки стека (как RET), но и восстанавливает те значения флагов, которые были в момент перехода на обработчик прерывания.
Не всякое событие, которое может вызвать прерывание, приводит к прерыванию текущей программы. В состав процессора входит программно-доступный флаг I разрешения прерывания. При I = 0 процессор не реагирует на запросы прерываний. После сброса процессора флаг I так же сброшен и все прерывания запрещены. Для того чтобы разрешить прерывания, следует в программе выполнить команду EI (от англ. enable interrupt).
Выше отмечалось, что при переходе на обработчик прерывания флаг I автоматически сбрасывается, в этом случае прервать обслуживание одного прерывания другим прерыванием нельзя. По команде IRET значение флагов восстанавливается, в т. ч. вновь устанавливается I = 1, следовательно, в основной программе прерывания опять разрешены.
Если требуется разрешить другие прерывания в обработчике прерывания, достаточно в нем выполнить команду EI. Контроллер прерываний и процессор на аппаратном уровне блокируют попытки запустить прерывание, если его обработчик начал, но не завершил работу.
Таким образом, флаг I разрешает или запрещает все прерывания системы.
Если требуется выборочно разрешить некоторое подмножество прерываний, используются программно-доступные флаги разрешения прерываний непосредственно на внешних устройствах.
Как правило, каждое внешнее устройство, которое может вызвать прерывание, содержит в составе своих регистров разряд флага разрешения прерывания (см. формат регистров CR и CTR на рис. 8.9, 8.13), по умолчанию установленный в 0. Если оставить этот флаг в нуле, то внешнему устройству запрещается формировать запрос контроллеру прерываний.
Иногда бывает удобно (например, в режиме отладки) иметь возможность вызвать обработчик прерывания непосредственно из программы. Если использовать для этих целей команду CALL, которая помещает в стек только адрес возврата, то команда такт,0размещенная последней в обработчике, может исказить значения флагов (все они будут сброшены в 0, т. к. команда CALL формирует только три младшие разряда ячейки верхушки стека, оставляя остальные разряды в 000).
Поэтому в системах команд многих ЭВМ, в т. ч. и нашей модели, имеются команды вызова прерываний — INT n (в нашей модели n є {0, 1, ..., 9}), где n — вектор прерывания. Процессор, выполняя команду INT n, производит те же действия, что и при обработке прерывания с вектором л.
Характерно, что с помощью команды INT л можно вызвать обработчик прерывания даже в том случае, когда флаг разрешения прерывания I сброшен.
8.8. Программная модель кэш-памяти
К описанной в разд. 8.1 программной модели учебной ЭВМ может быть подключена программная модель кэш-памяти, структура которой в общем виде отображена на рис. 5.2. Конкретная реализация кэш-памяти в описываемой программной модели показана на рис. 8.15.
Кэш-память содержит N ячеек (в модели N может выбираться из множества (4, 8, 16, 32}), каждая из которых включает трехразрядное поле тега (адреса ОЗУ), шестиразрядное поле данных и три однобитовых признака (флага):
Z — признак занятости ячейки;
U — признак использования;
W — признак записи в ячейку.
Таким образом, каждая ячейка кэш-памяти может дублировать одну любую
ячейку ОЗУ, причем отмечается ее занятость (в начале работы модели все ячейки кэш-памяти свободны, VZi; = 0), факт записи информации в ячейку во время пребывания ее в кэш-памяти, а также использование ячейки (т. е. любое обращение к ней).
Текущее состояние кэш-памяти отображается на экране в отдельном окне в форме таблицы, причем количество строк соответствует выбранному числу ячеек кэш. Столбцы таблицы определяют содержимое полей ячеек, например, так, как показано в табл. 8.3.
Для настройки параметров кэш-памяти можно воспользоваться диалоговым окном Кэш-память, вызываемым командой Вид Кэш-память, а затем нажать первую кнопку на панели инструментов открытого окна. После этих действий появится диалоговое окно Параметры кэш-памяти, позволяющее выбрать размер кэш-памяти, способ записи в нее информации и алгоритм замещении ячеек.
Напомним, что при сквозной записи при кэш-попадании в процессорных циклах записи осуществляется запись как в ячейку кэш-памяти, так и в ячейку ОЗУ, а при обратной записи — только в ячейку кэш-памяти, причем эта ячейка отмечается битом записи (Wi:=1). При очистке ячеек, отмеченных битом записи, необходимо переписать измененное значение ноля данных в соответствующую ячейку ОЗУ.
При кэш-промахе следует поместить в кэш-память адресуемую процессором ячейку. При наличии свободных ячеек кэш-памяти требуемое слово помещается в одну из них (в порядке очереди). При отсутствии свободных ячеек следует отыскать ячейку кэш-памяти, содержимое которой можно удалить, записав на его место требуемые данные (команду). Поиск такой ячейки осуществляется с использованием алгоритма замещения строк.
В модели реализованы три различных алгоритма замещения строк:
· случайное замещение, при реализации которого номер ячейки кэш-памяти выбирается случайным образом;
· очередь, при которой выбор замещаемой ячейки определяется временем пребывания ее в кэш-памяти;
· Бит использования, случайный выбор осуществляется только из тех ячеек, которые имеют нулевое значение флага использования.
Напомним, что бит использования устанавливается в 1 при любом обращении к ячейке, однако, как только все биты Ui. установятся в 1, все они тут же сбрасываются в 0, так что в кэш всегда ячейки разбиты на два непересекающихся подмножества по значению бита U — те, обращение к которым состоялось относительно недавно (после последнего сброса вектора U) имеют значение U = 1, иные — со значением U = 0 являются "кандидатами на удаление" при использовании алгоритма замещения "бит использования".
Если в параметрах кэш-памяти установлен флаг "с учетом бита записи", то все три алгоритма замещения осуществляют поиск "кандидата на удаление" прежде всего среди тех ячеек, признак записи которых не установлен, а при отсутствии таких ячеек (что крайне маловероятно) — среди всех ячеек кэш- памяти. При снятом флаге "с учетом бита записи" поиск осуществляется по всем ячейкам кэш-памяти без учета значения W.
Оценка эффективности работы системы с кэш-памятью определяется числом кэш-попаданий по отношению к общему числу обращений к памяти. Учитывая разницу в алгоритмах записи в режимах сквозной и обратной записи, эффективность использования кэш-памяти вычисляется по следующим выражениям (соответственно для сквозной и обратной записи):
где
K — коэффициент эффективности работы кэш-памяти;
So, — общее число обращений к памяти;
SK — число кэш-попаданий;
SKW — число сквозных записей при кэш-попадании (в режиме сквозной записи);
SiKW— число обратных записей (в режиме обратной записи).
В данном разделе представлены вспомогательные таблицы (табл. 8.4 — 8.8) для работы с моделью учебной ЭВМ.
В табл. 8.6 приняты следующие обозначения:
DD — данные, формируемые командой в качестве (второго) операнда: прямо или косвенно адресуемая ячейка памяти или трехразрядный непосредственный операнд;
R *— содержимое регистра или косвенно адресуемая через регистр ячейка памяти;
ADR* — два младших разряда ADR поля регистра CR;
V — адрес памяти, соответствующий вектору прерывания;
М (*) — ячейка памяти, прямо или косвенно адресуемая в команде;
I — пятиразрядный непосредственный операнд со знаком.
ГЛАВА 9
Лабораторные работы
Цикл лабораторных работ рассчитан на выполнение студентами в рамках курса "Архитектура ЭВМ" и других, подобных по содержанию.
Цикл включает работы различного уровня. Лабораторные работы №1 — 4 ориентированны на первичное знакомство с архитектурой процессора, системой команд, способами адресации и основными приемами программирования на машинно-ориентированном языке. Лабораторная работа № 5 иллюстрирует реализацию командного цикла процессора на уровне микроопераций. Лабораторная работа № 6 посвящена способам организации связи процессора с внешними устройствами, а в лабораторных работах №7 и 8 рассматривается организация кэш-памяти и эффективность различных алгоритмов замещения. Все работы выполняются на программной модели учебной ЭВМ и взаимодействующих с ней в программных моделях ВУ и кэш-памяти, описанных в главе 8.
Описание работы включает постановку задачи, пример выполнения, набор вариантов индивидуальных заданий, порядок выполнения работы, требования к содержанию отчета и контрольные вопросы.
Архитектура ЭВМ и система команд
9.1.1. Общие положения
Для решения с помощью ЭВМ некоторой задачи должна быть разработана программа. Программа на языке ЭВМ представляет собой последовательность команд. Код каждой команды определяет выполняемую операцию, тип адресации и адрес. Выполнение программы, записанной в памяти ЭВМ, осуществляется последовательно по командам в порядке возрастания адресов:, команд или в порядке, определяемом командами передачи управления.
Для того чтобы получить результат выполнения программы, пользователь должен:
• ввести программу в память ЭВМ;
• определить, если это необходимо» содержимое ячеек ОЗУ и РОН,
• содержащих исходные данные, а также регистров IR и BR;
• установить в РС стартовый адрес программы;
• перевести модель в режим Работа.
Каждое из этих действий выполняется посредством интерфейса модели, описанного в главе 8. Ввод программы может осуществляться как в машинных кодах непосредственно в память модели, так и в мнемокодах в окно Текст программы с последующим ассемблированием.
Цель настоящей лабораторной работы — знакомство с интерфейсом модели ЭВМ, методами ввода и отладки программы, действиями основных классов команд и способов адресации. Для этого необходимо ввести в память ЭВМ и выполнить в режиме Шаг некоторую последовательность команд (определенную вариантом задания) и зафиксировать все изменения на уровне программно-доступных объектов ЭВМ, происходящие при выполнении этих команд.
Команды в память учебной ЭВМ вводятся в виде шестиразрядных десятичных чисел (см. форматы команд на рис. 8.3, коды команд и способов адресации в табл. 8.2 — 8.4).
В настоящей лабораторной работе будем программировать ЭВМ в машинных кодах.
Дана последовательность мнемокодов, которую необходимо преобразовать в машинные коды, занести в ОЗУ ЭВМ, выполнить в режиме Шаг и зафиксировать изменение состояний программно-доступных объектов ЭВМ (табл. 9.1)
Введем полученные коды последовательно в ячейки ОЗУ, начиная с адреса 000. Выполняя команды в режиме Шаг, будем фиксировать изменения программно-доступных объектов (в данном случае это Асс, РС и ячейки ОЗУ 020 и 030) в табл. 9.2.
1. Ознакомиться с архитектурой ЭВМ (см. часть I).
2. Записать в ОЗУ "программу", состоящую из пяти команд — варианты задания выбрать из табл.9.3. Команды разместить в последовательных ячейках памяти.
3. При необходимости установить начальное значение в устройство ввода IR.
4. Определить те программно-доступные объекты ЭВМ, которые будут изменяться при выполнении этих команд.
5. Выполнить в режиме Шаг введенную последовательность команд, фиксируя изменения значений объектов, определенных в п. 4, в таблице (см. форму табл. 9.2).
6. Если в программе образуется цикл, необходимо просмотреть не более двух повторений каждой команды, входящей в тело цикла.
1. Формулировка варианта задания.
2. Машинные коды команд, соответствующих варианту задания.
3. Результаты выполнения последовательности команд в форме табл. 9.2.
1. Из каких основных частей состоит ЭВМ и какие из них представлены в модели?
2. Что такое система команд ЭВМ?
3. Какие классы команд представлены в модели?
4. Какие действия выполняют команды передачи управления?
5. Какие способы адресации использованы в модели ЭВМ? В чем отличие
между ними?
6. Какие ограничения накладываются на способ представления данных в модели ЭВМ?
7. Какие режимы работы предусмотрены в модели и в чем отличие между ними?
8. Как записать программу в машинных кодах в память модели ЭВМ?
9. Как просмотреть содержимое регистров процессора и изменить содержимое некоторых регистров?
10. Как просмотреть и, при необходимости, отредактировать содержимое ячейки памяти?
11. Как запустить выполнение программы в режиме приостановки работы после выполнения каждой команды?
12. Какие способы адресации операндов применяются в командах ЭВМ? 13. Какие команды относятся к классу передачи управления?
Программирование разветвляющегося процесса
Для реализации алгоритмов, пути в которых зависят от исходных данных, используют команды условной передачи управления.
9.2.1. Пример 2
В качестве примера (несколько упрощенного по сравнению с заданиями лабораторной работы № 2) рассмотрим программу вычисления функции
причем х вводится с устройства ввода IR, результат у выводится на OR. Граф-схема алгоритма решения задачи показана на рис. 9.1.
В данной лабораторной работе используются двухсловные команды с непосредственной адресацией, позволяющие оперировать отрицательными числами и числами по модулю, превышающие 999, в качестве непосредственного операнда.
Оценив размер программы примерно в 20 — 25 команд отведем для области данных ячейки ОЗУ, начиная с адреса 030. Составленная программа с комментариями представлена в виде табл. 9.4.
1. Разработать программу вычисления и вывода значения функции:
для вводимого из IR значения аргумента х. Функции и допустимые пределы изменения аргумента приведены в табл. 9.5, варианты заданий в табл. 9.6.
2. Исходя из допустимых пределов изменения аргумента функций (табл. 9.5) и значения параметра а для своего варианта задания (табл. 9.6) выделить на числовой оси Ох области, в которых функция у вычисляется по представленной в п. 1 формуле, и недопустимые значения аргумента. На недопустимых значениях аргумента программа должна выдавать на OR максимальное отрицательное число: 199 999.
3. Ввести текст программы в окно Текст программы, при этом возможен набор и редактирование текста непосредственно в окне Текст программы или загрузка текста из файла, подготовленного в другом редакторе.
4. Ассемблировать текст программы, при необходимости исправить синтаксические ошибки.
5. Отладить программу. Для этого:
а) записать в IR значение аргумента х > а (в области допустимых значений);
б) записать в РС стартовый адрес программы;
в) проверить правильность выполнения программы (т. е. правильность результата и адреса останова) в автоматическом режиме. В случае наличия ошибки выполнить кп. 5, г и 5, д; иначе перейти к п. 5, е;
г) записать в РС стартовый адрес программы;
д) наблюдая выполнение программы в режиме Шаг, найти команду, являющуюся причиной ошибки; исправить ее; выполнить кп. 5, а — 5, в;
е) записать в IR значение аргумента х < а (в области допустимых значений); выполнить кп. 5, б и 5, в;
ж) записать в IR недопустимое значение аргумента х и выполнить кп. 5, б и 5, в.
6. Для выбранного допустимого значения аргумента х наблюдать выполнение отлаженной программы в режиме Шаг и записать в форме табл. 9.2 содержимое регистров ЭВМ перед выполнением каждой команды.
Отчет о лабораторной работе должен содержать следующие разделы:
1. Формулировка варианта задания.
2. Граф-схема алгоритма решения задачи.
3. Размещение данных в ОЗУ.
4. Программа в форме табл. 9.4.
5. Последовательность состояний регистров ЭВМ при выполнении программы в режиме Шаг для одного значения аргумента.
6. Результаты выполнения программы для нескольких значений аргумента, выбранных самостоятельно.
1. Как работает механизм косвенной адресации?
2. Какая ячейка будет адресована в команде с косвенной адресацией через ячейку 043, если содержимое этой ячейки равно 102 347?
3. Как работают команды передачи управления?
4. Что входит в понятие "отладка программы"?
5. Какие способы отладки программы можно реализовать в модели?
9.3. Лабораторная работа № 3. Программирование цикла с переадресацией
При решении задач, связанных с обработкой массивов, возникает необходимость изменения исполнительного адреса при повторном выполнении некоторых команд. Эта задача может быть решена путем использования косвенной адресации.
Разработать программу вычисления суммы элементов массива чисел С1, C2, ..., Сn Исходными данными в этой задаче являются: n — количество суммируемых чисел и С1, С2, ..., Cn— массив суммируемых чисел. Заметим, что должно выполняться условие n>1, т. к. алгоритм предусматривает, по крайней мере, одно суммирование. Кроме того, предполагается, что суммируемые числа записаны в ОЗУ подряд, т. е. в ячейки памяти с последовательными адресами. Результатом является сумма S.
Составим программу для вычисления суммы со следующими конкретными параметрами: число элементов массива — 10, элементы массива расположены в ячейках ОЗУ по адресам 040, 041, 042, ..., 049. Используемые для решения задачи промежуточные переменные имеют следующий смысл: А, — адрес числа Сn, I є {1,2, ...,10}; ОЗУ (Аi)- число по адресу Аi, S — текущая сумма; k — счетчик цикла, определяющий число повторений тела цикла.
Распределение памяти таково. Программу разместим в ячейках ОЗУ, начиная
с адреса 000, примерная оценка объема программы — 20 команд; промежуточные переменные: А, — в ячейке ОЗУ с адресом 030, k — по адресу 031, S — по адресу 032. ГСА программы показана на рис. 9.2, текст программы с комментариями приведен в табл. 9.7.
