1

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ

TMHMA ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Σημειώσεις Μαθήματος: Αρχιτεκτονική ΥπολογιστώνI

2

--ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ--

Κεφάλαιο 1. ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 1.1. Η Πρώτη Γενιά Των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1946-1958)

1.2. Η Δεύτερη Γενιά Των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1958 - 1964)

1.3. Η Τρίτη Γενιά Των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1964 - 1971)

1.4. Η Τέταρτη Γενιά των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1971…)

Κεφάλαιο 2. ΟΡΓΑΝΩΣΗ & ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 2.1. Οργάνωση και Αρχιτεκτονική

2.2. Δομή και Λειτουργία

Κεφάλαιο 3. ΜΗΧΑΝΗ VON NEUMANN 3.1. Εισαγωγή

3.2. H Δομή του Υπολογιστή IAS

3.3. Η Μνήμη του Υπολογιστή IAS

3.4. Λειτουργία του Υπολογιστή IAS

3.5. Κύκλος Εντολής (Instruction Cycle)

Κεφάλαιο 4. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΝΗΜΗΣ

4.1. Εισαγωγή

4.2. Ενδιάμεση μνήμη (cache)

4.3. Μνήμες RAM

4.4. Στατική RAM

4.4. Δυναμική RAM

Κεφάλαιο 5. ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΑΠΟ ΤΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

5.1. Εισαγωγή

5.2. Διαχείριση Μνήμης

5.3. Αντιμετάθεση (swapping)

5.4. Κατάτμηση (partitioning)

3

5.5. Σελιδοποίηση (paging)

5.6. Η εικονική μνήμη (Virtual Memory)

5.6.1. Σελιδοποίηση κατ’απαίτηση

5.7. Τμηματοποίηση (segmentation)

Κεφάλαιο 6. Η ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 6.1. Εισαγωγή

6.2. Αναπαράσταση Κινητής Υποδιαστολής

6.3. Πρότυπο IEEE 754 για τη Δυαδική Αναπαράσταση Κινητής Υποδιαστολής

Κεφάλαιο 7. ΟΜΑΔΕΣ ΕΝΤΟΛΩΝ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ 7.1. Εισαγωγή

7.2. Στοιχεία Εντολής Μηχανής

7.3. Παράσταση Εντολών

Κεφάλαιο 8. ΟΜΑΔΕΣ ΕΝΤΟΛΩΝ: ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗΣ 8.1. Εισαγωγή

8.2. Διευθυνσιοδότηση

8.3. Άμεση Διευθυνσιοδότηση

8.4. Απευθείας Διευθυνσιοδότηση

8.5. Έμμεση Διευθυνσιοδότηση

8.6. Διευθυνσιοδότηση Καταχωρητή

8.7. Έμμεση Διευθυνσιοδότηση Καταχωρητή

8.8. Διευθυνσιοδότηση Μετατόπισης

8.9. Διευθυνσιοδότηση Σωρού

Κεφάλαιο 9. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU 9.1. Εισαγωγή

9.2. Κύκλος Εντολής

4

1. ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ

ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 1.1. Η Πρώτη Γενιά Των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1946-1958) Οι ανάγκες του πολέμου (στα μέσα του 20ου αιώνα ) για πολύπλοκους υπολογισμούς

σε προβλήματα μεταφοράς, διοίκησης και άλλα, κάνουν πιο επιτακτική την ανάγκη

κατασκευής μιας ικανής υπολογιστικής μηχανής. Ο πρώτος υπολογιστής, ο Z3 του

Γερμανού καθηγητή Kornad Zuse, κατασκευάστηκε το 1941 και λειτουργούσε κάτω

από την επίβλεψη ενός εξωτερικού προγράμματος σε διάτρητη χαρτοταινία. Διέθετε

μια μνήμη των 64 λέξεων με την χρήση 2.600 ρολέδων και οι πράξεις γινόταν στο

δυαδικό σύστημα με κινητή υποδιαστολή. Η μηχανή αυτή καταστράφηκε στον

βομβαρδισμό του Βερολίνου το 1944.

Την ίδια χρονιά από την άλλη πλευρά του Ατλαντικού, στο Harvard, γεννιόταν ο

Mark I. Ο Mark I ήταν προϊόν συνεργασίας του φυσικού Howard Aiken και της IBM.

Ο υπολογιστής αυτός αν και ήταν μια τερατώδης μηχανή, που έκανε φοβερό θόρυβο

και χαλούσε πολύ συχνά, λειτούργησε μέχρι το 1959, ενώ σήμερα εκτίθεται στο

πανεπιστήμιο του Harvard.

Mark I.

Το πρώτο πρότυπο μηχανήματος που μπορεί να χαρακτηριστεί ως πραγματικός

ηλεκτρονικός υπολογιστής ήταν ο γενικής χρήσης υπολογιστής ABC που

δημιουργήθηκε από την ανάγκη λύσης μεγάλων συστημάτων εξισώσεων. Ο

υπολογιστής αυτός χρησιμοποιούσε ηλεκτρονικές λυχνίες κενού ως βασικό στειχείο

5

και δυαδικό σύστημα. Ήταν επινόηση των John Vincent Atanasoff και Clifford Berry.

Το επόμενο βήμα ήταν ο ENIAC (Electronic Numerical Intergrator And Calculator).

Η μηχανή αποτελούνταν από 19.000 τρίοδους λυχνίες, κατανάλωνε ενέργεια της

τάξης των 200KW, καταλάμβανε ένα χώρο 270 τ.μ. και ζύγιζε 30 τόνους. Ήταν 2.000

φορές πιο γρήγορος από τον Mark I επιτυγχάνοντας 300 πολλαπλασιασμούς ανά

δευτερόλεπτο. Ο ENIAC είχε ένα σοβαρό μειονέκτημα, κάθε φορά που επρόκειτο να

εκτελεστεί ένα διαφορετικό πρόγραμμα, έπρεπε ένα μεγάλο μέρος του να "ξηλωθεί"

και να επανασυνδεθεί κατάλληλα, μια και οι εντολές του δεν φυλάσσονταν

εσωτερικά, αλλά επιτυγχάνονταν με μεταβολές σε εξωτερικές καλωδιώσεις.

ENIAC.

Η εξέλιξη των μηχανών αυτών δεν ήταν σε καλό δρόμο και χρειαζότανε αναθεώρηση

των βάσεων σχεδίασης για να γίνουν πιο ευέλικτες και γρήγορες. Αυτό το έκανε ο

John Von Neuman, ο οποίος έθεσε τις βάσεις ενός νέου ηλεκτρονικού υπολογιστή,

του EDVAC, που ήταν οι εξής:

• Θα χρησιμοποιηθεί μόνο η δυαδική αριθμητική.

• Στην μνήμη θα αποθηκεύονται τα δεδομένα αλλα και το πρόγραμμα που θα

εκτελεστεί.

EDVAC.

6

Μετά τις δημοσιεύσεις του Neuman, πολλές ομάδες ερευνητών ξεκίνησαν έναν

αγώνα δρόμου για την την κατασκευή υπολογιστών βασισμένων στις παραπάνω

αρχές. Αποτέλεσμα αυτών των προσπαθειών ήταν να κατασκευαστούν μερικά

συμαντικά υπολογιστικά συστήματα όπως οι EDVAC, EDSAC, UNIVAC-1, 701

IBM, 102D, D-100, GE-210, GAMMA 3. Ο πιο συμαντικός από τους υπολογιστές

αυτούς ήταν ο UNIVAC-1 (UNIVersal Automatic Computer) ο οποίος μπορεί να

χαρακτηριστεί σαν υπολογιστής σταθμός. Αυτό γιατί με την παραγωγή του στις αρχές

της δεκαετίας του 50, σηματοδοτεί την εισαγωγή των υπολογιστών στην αγορά και

κατ' επέκταση την εκκίνηση της ξέφρενης κούρσας που οδήγησε στην μεγάλη

σημερινή ανάπτυξη των υπολογιστών.

Επίσης, την περίοδο αυτή κατασκευάστηκε το πρώτο τρανζίστορ (1947), που

αποτέλεσε τη βάση για τους υπολογιστές της δεύτερης γενιάς.

Το πρώτο transistor (1947).

1.2. Η Δεύτερη Γενιά Των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1958 - 1964) Η δεύτερη γενιά των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών χαρακτηρίζεται από την

αντικατάσταση των τριόδων λυχνιών από τα τρανζίστορ. Η εισαγωγή του τρανζίστορ

προσφέρει μια σημαντική μείωση του όγκου των μηχανών με ταυτόχρονη ελάττωση

της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας και αύξηση της ταχύτητας των υπολογισμών.

Οι πρώτες μηχανές της εποχής αυτής ήταν η σείρα 1401 της IBM και η μηχανή

GAMMA 60 της Bull.

Ένα άλλο πολύ σημαντικό στοιχείο της 2ης γενιάς είναι η εμφάνιση των πρώτων

γλωσσών υψηλού επιπέδου, για την συγγραφή προγραμμάτων εφαρμογών, εξέλιξη

καθοριστικής σημασίας για τη γρήγορη διάδοση των Η/Υ. Το 1957 παρουσιάζεται

από τον John Backus ο πρώτος μεταγλωττιστής της Fortran, ενώ λίγο αργότερα η

γλώσσα Cobol. Πρέπει να σημειωθεί, ότι παράλληλα με την ανάπτυξη των

7

συστημάτων 2ης γενιάς εμφανίστηκε και μια νέα βιομηχανία που βασίστηκε στην

ιδέα της ολοκλήρωσης τρανζίστορς και άλλων στοιχείων, σε κυκλώματα που θα

μπορούσαν να τοποθετηθούν πάνω σε ένα μικτό τεμάχιο πυριρίου ή chip όπως και

επικράτησε τελικά.

Έτσι αν και κατά τη χρονική περίοδο της 2ης γενιάς σημειώθηκαν εμπορικές

αποτυχίες, στην πραγματικότητα τέθηκαν οι τεχνικές βάσεις που επέτρεψαν την

μετέπειτα, χωρίς προηγούμενο ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επίσης,

λόγω της εισαγωγής του τρανζίστορ, οι δυνατότητες των υπολογιστών της γενιάς

αυτής έφτασαν σε ταχύτητα τις 200.000 εντολές /δευτερόλεπτο και χωρητικότητα

κεντρικής μνήμης 32.000 χαρακτήρες, που όμως αποτελούνταν από μαγνητικούς

δακτυλίους.

1.3. Η Τρίτη Γενιά Των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1964 - 1971)

Η τρίτη γενιά των ηλεκτρονικών υπολογιστών χαρακτηρίζεται από τη μερική

αντικατάσταση του τρανζίστορ και των άλλων ηλεκτρονικών στοιχείων από τα

ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα συγκεντρώνουν μέσα σε

μια μικρή επιφάνεια της τάξεως του 1 cm2 πάρα πολλά ηλεκτρονικά στοιχεία

(τρανζίστορς, διόδους κ.λ.π).

Η είσοδος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έδωσε νέες δυνατότητες στους

κατασκευαστές, τέτοιες ώστε να χαρακτηριστεί σαν η επανάσταση στην τεχνολογία

των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Η αρχή έγινε στις 7 Μαρτίου 1964 όταν η IBM

παρουσίασε την σειρά 360 ("υπολογιστής όλων των διευθύνσεων"). Η παρουσίαση

αυτή είχε δύο άμεσα αποτελέσματα:

• Το ξεκίνημα μιας κούρσας μεταξύ των ανταγωνιστών για κάτι ανάλογο.

• Τη συνειδητοποίηση του πραγματικού προβλήματος των υπολογιστών, του

λογισμικού.

8

IBM 360.

Ο IBM 360 ήταν ο πρώτος υπολογιστής, ο οποίος διέθετε "λειτουργικό σύστημα",

ένα πρόγραμμα επόπτη, που ήταν επιφορτισμένο με το συγχρονισμό των διαφόρων

οργάνων και την εκτέλεση των προγραμμάτων των χρηστών. Ένα άλλο

χαρακτηριστικό του IBM 360 ήταν η εισαγωγή και χρήση των μαγνητικών δίσκων,

γεγονός που χαρακτηρίζει επίσης την τρίτη γενιά των υπολογιστών. Την εποχή αυτή

η CDC κατασκεύασε το μοντέλο 3600 και λίγο αργότερα το 6600 που ήταν ο

ισχυρότερος υπολογιστής την περίοδο 60 - 75, ικανός να εκτελεί πολλά εκατομύρια

πράξεις το δευτερόλεπτο και χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε στρατιωτικές υπηρεσίες και

την μετεωρολογία. Την περίοδο της τρίτης γενιάς εμφανίστηκαν και οι μίνι

υπολογιστές σαν απάντηση στην ανάγκη για μικρότερους και φθηνότερους

υπολογιστές, που ζητούσαν οι μικρότερες επιχειρήσεις. Την εποχή αυτή όμως

παρουσιάζεται μεγάλη ανάπτυξη και στο λογισμικό (software). Αναπτύσονται και

βελτιώνονται οι γλώσσες υψηλού επιπέδου (Cobol, Algol, Fortran κλπ) και

ενσωματώνονται στα νέα λειτουργικά συστήματα. Επίσης αυτή την εποχή κάνει και

την εμφανισή σε πρακτική εφαρμογή η ιδέα του καταμερισμού του χρόνου

(timesharing), που είχε αρχικά αναπτυχθεί στο MIT. Με την βοήθεια αυτής της

τεχνικής δίδεται στον κάθε χρήστη η ψευδαίσθηση ότι ο υπολογιστής ασχολείται

συνέχεια μαζί του ενώ στην πραγματικότητα του δίδεται μόνο ένα μικρό κλάσμα του

συνολικού χρόνου, που όμως είναι αρκετό για τις δυνατότητες του υπολογιστή.

Συμπερασματικά, οι μηχανές της τρίτης αυτής γενιάς έφτασαν τα πέντε εκατομύρια

εντολές το δευτερόλεπτο με κύριες μνήμες ημιαγωγών της τάξης των δύο

εκατομυρίων χαρακτήρων, ενώ έγινε αντιληπτή και η ανάγκη σοβαρής αντιμετώπισης

της δημιουργίας προγραμμάτων, με αποτέλεσμα τη δημιουργία των πρώτων οίκων

λογισμικού

9

1.4. Η Τέταρτη Γενιά των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (1971…) Η γενιά αυτή χαρακτηρίζεται απο πολλές και σημαντικές εξελίξεις. Κατ' αρχήν από

την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων LSI (Large Scale Integration) και

VLSI (Very Large Scale Integration), κυκλωμάτων δηλαδή που ενσωματώνουν

χιλιάδες ηλεκτρονικά στοιχεία σε επιφάνειες της τάξης του 1cm2. Οι τεχνολογίες

αυτές έχουν οδηγήσει σε μια άνευ προηγουμένου μείωση του όγκου και του κόστους

και αύξηση της χωρητικότητας της μνήμης και της ταχύτητας των ηλεκτρονικών

υπολογιστών. Ένα άλλο χαρακτηριστικό αυτής της εποχής είναι η εισαγωγή της

λεγόμενης παράλληλης επεξεργασίας που στην κυριολεξία "εκτοξεύει" την

υπολογιστική ισχύ στα δισεκατομύρια πράξεις το δευτερόλεπτο. Αν και παλαιότερα η

παράλληλη επεξεργασία αποτελούσε μονοπώλειο των υπερυπολογιστών, στις μέρες

μας όλα σχεδόν τα μικρά συστήματα κάνουν χρήση παράλληλης επεξεργασία,

ανεβάζοντας κατακόρυφα την υπολογιστική τους ισχύ. Στις αρχές της περιόδου αυτής

αναπτύσεται στο κέντρο ερευνών της Xerox η ιδέα των γραφικών περιβαλλόντων

χρήστη (GUIs-Graphical User Interface). Σύμφωνα με αυτά, η επικοινωνία

ανθρώπου μηχανής γίνεται ιδιαίτερα φιλική, μια και οι εντολές προς τον υπολογιστή

δίδονται μέσω χειρισμού εικονιδίων, παραθύρων κλπ. Περιβάλλοντα, που ως

γνωστόν, σήμερα χρησιμοποιούνται κατά κόρον. Το πιο βασικό όμως χαρακτηριστικό

της τέταρτης γενιάς είναι η τεράστια ανάπτυξη των μικροϋπολογιστών και ιδιαίτερα

των προσωπικών υπολογιστών (PCs - Personal Computers). Ας δούμε όμως πιο

αναλυτικά την ιστορία των προσωπικών υπολογιστών.

Όπως έχει ήδη αναφερθεί, στην χρονική περίοδο της δεύτερης γενιάς των

ηλεκτρονικών υπολογιστών άρχισε να υλοποιείται η ιδέα της ολοκλήρωσης

τρανζίστορ και άλλων ηλεκτρονικών στοιχείων σε κυκλώματα που θα μπορούσαν να

χωρέσουν σε ένα μικρό τεμάχιο πυριτίου (chip). Η ιδέα αυτή αποδείχτηκε ιδιαίτερα

επιτυχημένη, με αποτέλεσμα από το 1965 και μετά να παρατηρείται κάθε χρόνο

διπλασιασμός των ηλεκτρονικών στοιχείων που μπορούσαν να χωρέσουν σε ένα chip

(νόμος του Moore). Η πρόοδος αυτή γρήγορα οδήγησε στο εξάρτημα που μπορούμε

να πούμε ότι άλλαξε πολλά πράγματα στον κόσμο: το μικροεπεξεργαστή

(microprocessor), την καρδιά δηλαδή του υπολογιστή σε ένα ολοκληρωμένο

κύκλωμα. Ένας πλήρης υπολογιστής μπορεί να κατασκευαστεί από ένα

10

μικροεπεξεργαστή, μια μνήμη και μερικά άλλα κυκλώματα υποστήριξης. Η ιστορία

του μικροεπεξεργαστή φτάνει πίσω γύρω στο 1969, όταν οι μηχανικοί Victor Poor

και Harry Pyle της εταιρίας Datapoint ανέπτυξαν ένα πρώτο μοντέλο. Η ανάπτυξη

του μοντέλου αυτού, επινοήθηκε σαν εναλλακτική λύση στην κατασκευή

υπολογιστών ειδικής χρήσης. Επειδή η Datapoint δεν κατασκεύαζε ηλεκτρονικά

στοιχεία οι δύο μηχανικοί μετέφεραν το μοντέλο τους στην IBM. Έτσι γεννήθηκε ο

πρώτος μικροεπεξεργαστής, ο ιστορικός 4004 της Intel.

Intel 4004.

Ο 4004 ήταν πολύ περιορισμένων δυνατοτήτων, αλλά ακολούθησε ο ισχυρότερος

8008 το 1971 και ο 8080 το 1974 που από πολλούς θεωρείται σαν ο "προπομπός" των

προσωπικών υπολογιστών. Οι πρώτοι υπολογιστές βασισμένοι σε

μικροεπεξεργαστές, που καταγράφηκαν στην ιστορία, είναι ο Sceibi-8H και ο Altair

8800.

Οι υπολογιστές αυτοί μαζί με την ταυτόχρονη ανάπτυξη εκ μέρους των Bill Gates και

Paul Allen ενός διερμηνευτή της γλώσσας Basic για τους μικροεπεξεργαστές της

Intel, θεωρείται από πολλούς σαν " η ανάφλεξη της έκρηξης των προσωπικών

υπολογιστών". Στην εποχή αυτή κάνουν τα πρώτα τους βήματα και τα λεγόμενα

"πακέτα" εφαρμογών για τους προσωπικούς υπολογιστές. Ένα από τα πρώτα

ιστορικά προϊόντα είναι το (1978) το οποίο ήταν ένα πακέτο λογιστικού φύλλου

και συνόδευε τον προσωπικό υπολογιστή Apple II.

Με την άφιξη της δεκαετίας του 80, εμφανίστηκαν στην αγορά πολλά επιπλέον

αξιόλογα μηχανήματα, η επιτυχία τωνν οποίων ανάγκασε την IBM να εισβάλει στον

χώρο παραγωγής προσωπικών υπολογιστών. Η είσοδος της IBM καθιέρωσε κάποια

11

πρότυπα στο χώρο, γεγονός που οδήγησε στην τεράστια ανάπτυξη και εξέλιξη των

προσωπικών υπολογιστών. Το 1984 γίνεται η είσοδος στην αγορά του Apple

Macintosh, ο οποίος εισήγαγε, στο χαμηλού κόστους χώρο των προσωπικών

υπολογιστών, τον πολύ φιλικό τρόπο επικοινωνίας ανθρώπου μηχανής με την χρήση

εικονιδίων και παραθύρων διαλόγου.

12

2. ΟΡΓΑΝΩΣΗ & ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ

2.1. Οργάνωση και Αρχιτεκτονική Η αρχιτεκτονική υπολογιστών αναφέρεται σε εκείνα τα χαρακτηριστικά εκείνα τα

οποία έχουν άμεσο αντίκτυπο στη λογική εκτέλεση ενός προγράμματος. Η οργάνωση

υπολογιστών αναφέρεται στις λειτουργικές υπομονάδες και τις διασυνδέσεις τους, οι

οποίες υλοποιούν τις αρχιτεκτονικές προδιαγραφές

2.2 Δομή και Λειτουργία Η ιεραρχική φύση των σύνθετων συστημάτων είναι ουσιαστική, τόσο για το

σχεδιασμό τους όσο και για την περιγραφή τους. Ο σχεδιαστής μπορεί να ασχολείται

με ένα συφκεκριμένο επίπεδο του συστήματος κάθε φορά. Σε κάθε επίπεδο, το

σύστημα αποτελείται από ένα σύνολο εξαρτημάτων και τις διασυνδέσεις τους. Η

συμπεριφορά σε κάθε επίπεδο εξαρτάται μόνο από ένα απλοποιημένο, αφηρημένο

χαρακτηρισμό του συστήματος στο επόμενο κατώτερο επίπεδο. Σε κάθε επίπεδο, ο

σχεδιαστής απασχολείται με τη δομή και τη λειτουργία:

• Δομή: Ο τρόπος με τον οποίο διασυνδέονται οι υπομονάδες

• Λειτουργία: Η λειτουργία κάθε μεμονωμένης υπομονάδες ως μέρος της

δομής

Βασικές Λειτουργίες

• Επεξεργασία δεδομένων

• Αποθήκευση δεδομένων

• Μετακίνηση δεδομένων

• Έλεγχος

Ο υπολογιστής πρέπει να είναι σε θέση να επεξεργαστεί δεδομένα. Τα δεδομένα

μπορεί να πάρουν μια ευρεία ποικιλία μορφών, και ανάλογα μεγάλη είναι και η

ποικιλία των απαιτήσεων της επεξεργασίας.

13

Επίσης, ο υπολογιστής πρέπει να είναι σε θέση να αποθηκεύσει δεδομένα. Ακόμη και

αν ο υπολογιστής επεξεργάζεται δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, πρέπει να

αποθηκεύσει προσωρινά τουλάχιστον εκείνα τα δεδομένα τα οποία εκείνη τη στιγμή

υφίστανται επεξεργασία. Έτσι, απαιτέιται μια λειτουργία βραχυπρόθεσμης

αποθήκευσης δεδομένων. Εξίσου σημαντικό είναι ο υπολογιστής να εκτελεί μια

λειτουργία μακροπρόθεσμης αποθήκευσης δεδομένων. Τα αρχεία δεδομένων

αποθηκεύονται στον υπολογιστή για μεταγενέστερη ανάκτηση και ενημέρωση.

Ο υπολογιστής πρέπει ακόμη να είναι σε θέση να μετακινεί δεδομένα μταξύ του ιδίου

και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Το λειτουργικό περιβάλλον του υπολογιστή

αποτελείται από συσκευές οι οποίες χρησιμεύουν είτε ως πηγές είτε ως προορισμοί

δεδομένων. Όταν τα δεδομένα λαμβάνονται ή αποστέλονται σε μια συσκευή η οποία

είναι απευθείας συνδεδεμένη με τον υπολογιστή, η διαδικασία είναι γνωστή με την

ονομασία είσοδος/έξοδος (Input/Output, I/O), και η συσκευή αναφέρεται ως ένα

περιφεριακό. Όταν μετακινούνται δεδομένα σε μεγαλύτερες αποστάσεις, από ή προς

μια απομακρυσμένη συσκευή, η διαδικασία αναφέρεται ως επικοινωνία δεδομένων.

Τέλος, πρέπει να υπάρχει έλεγχος των λειτουργιών αυτών. Στο ανώτατο επίπεδο, ο

έλεγχος αυτός εκτελείται από το άτομο ή τα άτομα που τροφοδοτούν με εντολές τον

υπολογιστών. Εντός του υπολογιστή, μια μονάδα ελέγχου διαχειρίζεται τους πόρους

του υπολογιστή και ενορχηστρώνει την λειτουργία των λειτουργικών του τμημάτων

σε απόκριση αυτών των εντολών.

Δομή

• Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (Central Processing Unit, CPU): Ελέγχει τη

λειτουργία του υπολογιστή και εκτελεί τις λειτουργίες επεξεργασίας

δεδομένων. Συχνά αναφέρεται απλά ως επεξεργαστής.

• Κύρια μνήμη (Main Memory): Αποθηκεύει δεδομένα

• Είσοδος / Έξοδος (Ι/Ο): Μετακινεί δεδομένα μεταξύ του υπολογιστή και του

εξωτερικού του περιβάλλοντος.

• Διασύνδεση του συστήματος: Μηχανισμός ο οποίος παρέχει επικοινωνία

μεταξύ της CPU, της κύριας μνήμης και της εισόδου/εξόδου.

14

Το πιο περίπλοκο εξάρτημα του υπολογιστή είναι η CPU. Τα κύρια δομικά

συστατικά της είναι τα εξής:

• Μονάδα ελέγχου: Ελέγχει τη λειτουργία της CPU και άρα του υπολογιστή.

• Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic and Logic Unit, ALU):

Εκτελεί τις λειτουργίες επεξεργασίας δεδομένων του υπολογιστή.

• Καταχωρητές: Παρέχουν αποθήκευση πληροφορίας εσωτερικά στην CPU.

• Διασυνδέσεις της CPU: Μηχανισμός ο οποίος παρέχει επικοινωνία μεταξύ

της μονάδας ελέγχου, της ALU και των καταχωρητών.

Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) Μονάδα Ελέγχου

15

3. ΜΗΧΑΝΗ VON NEUMANN

3.1. Εισαγωγή Στα 1946, ο Von Neumann και οι συνεγάτες του άρχισαν το σχεδιασμό ενός

υπολογιστή με αποθηκευμένο πρόγραμμα, που αναφερόταν με την ονομασία IAS,

στο Princeton Institute for Advanced Studies. Ο υπολογιστή IAS, παρόλο που δεν

ολοκληρώθηκε πριν το 1952, είναι το πρωτότυπο όλων των επόμενων υπολογιστών

γενικής χρήσης.

3.2. H Δομή του Υπολογιστή IAS Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η γενική δομή του υπολογιστή IAS. Αποτελείται από

τα ακόλουθα:

• Μια κύρια μνήμη, η οποία αποθηκεύει τόσο δεδομένα, όσο και εντολές.

• Μια αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), ικανή να χειρίζεται δυαδικά

δεδομένα.

• Μια μονάδα ελέγχου, η οποία ερμηνεύει τις εντολές που βρίσκονται στη

μνήμη και τις εκτελεί.

• Εξοπλισμό εισόδου/εξόδου (I/O), ο οποίος λειτουργεί μέσω τη μονάδας

ελέγχου.

Η δομή του υπολογιστή IAS

16

Με σπάνιες εξαιρέσεις, όλοι οι σημερινοί υπολογιστές έχουν την ίδια αυτή γενική

δομή και λειτουργία, ώστε αναφέρονται ως μηχανές Von Neumann.

3.3. Η Μνήμη του Υπολογιστή IAS Η μνήμη του υπολογιστή IAS αποτελείται από 1000 θέσεις αποθήκευσης που

ονομάζονται λεξεις, η κάθε μια με 40 δυαδικά ψηφία (binary digits ή bits). Στις θέσεις

αυτές αποθηκεύονται τόσο τα δεδομένα, όσο και οι εντολές. Έτσι οι αριθμοί πρέπει

να αναπαρίστανται σε δυαδική μοφή, και κάθε εντολή πρέπει να είναι ένας δυαδικός

κωδικός. Κάθε αριθμός αναπαρίσταται από ένα bit προσήμου και από μια τιμή 39bit.

Μια λέξη επίσης μπορεί επίσης να περιέχει δύο εντολές μήκους 20bit, με την κάθε

εντολή να αποτελείται από ένα κώδικα πράξης (opcode) μήκους 8 bit, ο οποίος

καθορίζει την πράξη που πρόκειται να εκτελεστεί, όπως και μια διεύθυνση με μήκος

12 bit, οποία καθορίζει μια από τις λέξεις στη μνήμη (οι οποίες απαριθμούνται από 0-

999).

3.4. Λειτουργία του Υπολογιστή IAS Η μονάδα ελέγχου ελέγχει τη λειτυοργία του υπολογιστή IAS προσκομίζοντας

εντολές από τη μνήμη και εκτελώντας τις μια-μια. Το δομικό διάγραμμα φαίνεται στο

παρακάτω σχήμα. Σ’αυτό το σχήμα φαίνεται ότι η μονάδα ελέγχου και η ALU

περιέχουν θέσεις αποθήκευσης πληροφορίας, οι οποίοι ονομάζονται καταχωρητές

(registers).

17

Η δομή του υπολογιστή IAS σε αναλυτικότερη μορφή.

Οι καταχωρητές του υπολογιστή IAS ορίζονται ως εξής: Ενδιάμεσος καταχωρητής μνήμης (Memory Buffer Register, MBR): Περιέχει μια

λέξη που πρόκειται να αποθηκευτεί στη μνήμη, ή χρησιμοποιείται για να δεχθεί μια

λέξη από τη μνήμη.

Καταχωρητής διεύθυνσης μνήμης (Memory Address Register, MAR): Καθορίζει

τη διεύθυνση στη μνήμη για τη λέξη η οποία πρόκειται να γραφεί ή να αναγνωρισθεί

από τον MBR.

Καταχωρητής εντολών (Intstruction Register, IR): Περιέχει τον οκτάμπιτο κώδικα

εντολής που εκτελείται εκείνη τη στιγμή.

Προσωρινός καταχωρητής εντολής (Instruction Buffer Register, IBR):

Χρησιμοποιείται για την προσωρινή αποθήκευση της «δεξιάς» εντολής από μια λέξη

στη μνήμη.

18

Απαριθμητή προγράμματος (Program Counter, PC): Περιέχει τη διεύθυνση του

επόμενου ζεύγους εντολών που πρόκειται να προσκομιστεί από τη μνήμη.

Συσσωρευτής (Accumulator, AC) και Δείκτης Πολλαπλασιαστή (Multiplier

Quotient, MQ): Χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση τελεστών και

αποτελεσμάτων των πράξεων της ALU. Για παράδειγμα, το αποτέλεσμα του

πολλαπλασιασμού δύο αριθμών 40 bit είναι ένας αριθμός μήκους 80 bit. Τα

σημαντικότερα 40 bit αποθηκεύονται στον καταχωρητή AC και τα λιγότερο

σημαντικά στον καταχωρητή MQ.

3.5. Κύκλος Εντολής (Instruction Cycle) Ο υπολογιστής IAS λειτουργεί εκτελώντας επαναληπτικά ένα κύκλο εντολής

(instruction cycle). Κάθε κύκλος εντολής αποτελείται από δύο υποκύκλους. Τον

κύκλο προσκόμισης (ή κύκλο προσαγωγής, fetch cycle) και τον κύκλο εκτέλεσης.

Κατά τη διάρκεια του κύκλου προσκόμισης (fetch cycle), o κώδικας εντολής της

επόμενης εντολής αποθηκεύεται στον καταχωρητή IR και το μέρος που δείχνει τη

διεύθυνση αποθηκεύεται στον καταχωρητή MAR. Αυτή η εντολή μπορεί να ληφθεί

από τον IBR, ή μπορεί να ανακτηθεί από τη μνήμη μέσω αποθήκευσης μιας λέξης

στον MBR, και κατόπιν στους IBR, IR και MAR.

Αφού ο κωδικός εντολής αποθηκευτεί στον καταχωρητή IR, αρχίζει ο κύκλος

εκτέλεσης. Τα κυκλώματα ελέγχου ερμηνεύουν τον κωδικό εντολής και εκτελούν την

εντολή στέλνοντας τα κατάλληλα σήματα ελέγχου ώστε να προκαλέσουν τη

μετακίνηση δεδομένων ή την εκτέλεση μιας πράξης από την ALU.

Οι εντολές του υπολογιστή IAS μπορούν να ομαδοποιηθούν ως εξής:

• Μεταφορά δεδομένων: Μετακίνηση δεδομένων μεταξύ της μνήμης και των

καταχωρητών της ALU, ή μεταξύ δύο καταχωρητών της ALU.

• Διακλάδωση άνευ συνθήκης: Κανονικά, η μονάδα ελέγχου εκτελεί εντολές

διαδοχικά, από τη μνήμη. Αυτή η αλληλουχία εκτέλεσης μπορεί να

19

μεταβλήθεί μέσω μιας εντολής διακλάδωσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη

διευκόλυνση των επαναλαμβανόμενων πράξεων.

• Διακλάδωση με συνθήκη: Η διακλάδωση μπορεί να γίνει εξαρτώμενη από

μια συνθήκη, ώστε να επιτρέπεται η ύπαρξη σημείων λήψης αποφάσεων.

• Αριθμητική: Οι πράξεις που εκτελεί η ALU.

• Τροποποίηση διεύθυνσης: Επιτρέπει τον υπολογισμό διευθύνσεων στην

ALU και κατόπιν την εισαγωγή τους σε εντολές που βρίσκονται

αποθηκευμένες στη μνήμη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα σημαντική ευελιξία

στη διευθυνσιοδότηση που μπορεί να γίνει μέσω πρόγράμματος.

20

4. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΝΗΜΗΣ

4.1. Εισαγωγή Η μνήμη των υπολογιστών παρουσιάζει ίσως τη μεγαλύτερη ποικιλία σε τύπους,

τεχνολογία, οργάνωση, απόδοση και κόστος από οποιδήποτε άλλο τμήμα ενός

συστήματος υπολογιστή.

Το σύνθετο ζήτημα τη μνήμης των υπολογιστών γίνεται πιο ευκολονόητο αν

ταξινομήσουμε τα συστήματα μνήμης σύμφωνα με τα βασικά χαρακτηριστικά τους.

Βασικά χαρακτηριτικά των συστημάτων μνήμης υπολογιστή.

21

4.2. Ενδιάμεση μνήμη (cache) Η μνήμη cache προορίζεται για να δώσει ταχύτητα μνήμης που προσεγγίζει εκείνη

των πιο γρήγορων διαθέσιμων μνημών, και ταυτόχρονα να παρέχει μεγάλη

χωρητικότητα στην τιμή των λιγότερων ακριβών τύπων μνήμης ημιαγωγών. Η έννοια

αυτή παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα:

Η μνήμη cache και η κύρια μνήμη.

Όταν ο επεξεργαστής επιχειρεί να διαβάσει μια λέξη από τη μνήμη, γίνεται έλεγχος

για να διαπιστωθεί αν η λέξη αυτή βρίσκεται στην cache. Αν είναι έτσι η λέξη

στέλνεται στον επεξεργαστή. Αν όχι, ένα τμήμα της κύριας μνήμης, που αποτελείται

από κάποιο σταθερό αριθμό λέξεων μεταφέρεται στην cache και μετά η λέξη

στέλνεται στον επεξεργαστή. Λόγω του φαινομένου της τοπικότητας αναζήτησης,

22

όταν ένα τμήμα δεδομένων προσκομίζεται στην cache για να ικανοποιήσει μια και

μοναδική αναζήτηση στη μνήμη, είναι πιθανό ότι θα υπάρχουν και άλλες μελλοντικές

αναζητήσεις σε εκείνη την ίδια θέση μνήμης ή σε άλλες λέξεις στο τμήμα.

Η δομή της μνήμης cache/κύριας μνήμης.

4.3. Μνήμες RAM Μια µονάδα µνήµης είναι ένα σύνολο από δυαδικά κύτταρα αποθήκευσης (τα

δυαδικά κύτταρα µπορούν να αποθηκεύσουν είτε την τιµή "0", είτε την τιµή "1").

Πάνω στην κάρτα της µνήµης υπάρχουν και διάφορα ολοκληρωµένα κυκλώµατα που

ελέγχουν τη λειτουργία της (τρόπος αποθήκευσης και διαχείρησης της πληροφορίας,

µεταφορά πληροφοριών από και προς αυτή). Για την καλύτερη κατανόηση της RAM

θα µπορούσαµε να τη φανταστούµε ως ένα διδιάστατο πίνακα, όπου σε κάθε κελί

αποθηκεύεται η ελάχιστη πληροφορία, δηλαδή ένα bit "0" ή "1". Κάθε γραµµή του

πίνακα έχει µια ξεχωριστή "διεύθυνση", που βοηθάει στην άµµεση προσπέλαση της

πληροφορίας που είναι αποθηκευµµένη στα στοιχεία της γραµµής.

23

Oποιαδήποτε αίτηση (ανάκληση ή αποθήκευση πληροφοριών) για τη RAM

συνοδεύεται και από τη διεύθυνση, στην οποία θα εκτελεστεί η αίτηση. Επειδή

µπορεί να γίνει προσπέλαση σε οποιαδήποτε διεύθυνση για µεταφορά πληροφορίας,

προέκυψε το όνοµα "µνήµη τυχαίας προσπέλασης" που συντµήθηκε στον αγγλικό

όρο RAM.

Οι δυαδικές πληροφορίες αποθηκεύονται σαν οµάδες από bits, που είναι γνωστές ως

"λέξεις" ("words"). Τα bits κάθε λέξης µεταφέρονται µέσα και έξω από τη µνήµη,

όλα µαζί ως µια οµάδα.Το περιεχόµενο κάθε λέξης είναι ένα σύνολο από "0" ή "1"

και µπορεί να αντιπροσωπεύει έναν αριθµό, µια εντολή, έναν ή περισσότερους

αλφαριθµητικούς χαρακτήρες ή ακόµα, οποιαδήποτε πληροφορία κωδικοποιηµένη σε

δυαδικό σύστηµα. Συνήθως, µια οµάδα των 8 bits χαρακτηρίζεται ως 1 byte.

4.4. Στατική RAM Η στατική RAM (Static RAM - SRAM) είναι ένας τύπος µνήµης RAM που έχει

την ικανότητα να διατηρεί αναλλοίωτα τα περιεχόµενά της για όσο χρονικό διάστηµα

τροφοδοτείται µε ρεύµα, χωρίς να απαιτείται κάποια επιπλέον εξωτερική επέµβαση.

Στις SRAMs χρησιµοιούνται ειδικοί διακόπτες (switches), που µπορεί να είναι

ανοικτοί ή κλειστοί (on/off). Ο τρόπος κατασκευής της SRAM µοιάζει περισσότερο

µε την τεχνολογία που εφαρµόζεται στους επεξεργαστές: πολλά ολοκληρωµένα

κυκλώµατα, που έχουν τοποθετηθεί πάνω σε µια µικρή πλακέτα πυριτίου. Για την

αποθήκευση κάθε bit στη µνήµη SRAM, απαιτούνται τέσσερα µε έξι transistors, γι΄

αυτό και το µέγεθος της SRAM είναι µεγαλύτερο από το µέγεθος της DRAM (κάθε

bit χρειάζεται µόνο έναν πυκνωτή). Η πολυπλοκότητα και ο µεγάλος αριθµός

24

transistors που χρησιµοποιούνται για τη µνήµη SRAM, είναι ο βασικότερος λόγος,

εξαιτίας του οποίου η µνήµη SRAM έχει µεγαλύτερο κόστος από την DRAM.

4.5. Δυναμική RAM Η δυναµική RAM (Dynamic RAM - DRAM) είναι ένας τύπος RAM, που µπορεί

να διατηρήσει αναλλοίωτα τα περιεχόµενά της, µόνο αν γίνεται συνεχής

αναζωογόνηση σε αυτά από ένα ειδικό κύκλωµα που ονοµάζεται refresh circuit

(κύκλωµα αναζωογόνησης). Το κύκλωµα αναζωογόνησης διαβάζει µε µεγάλη

συχνότητα τα περιεχόµενα κάθε πυκνωτή (σε κάθε πυκνωτή µπορούµε να

αποθηκεύσουµε ένα bit), ανεξάρτητα αν τα περιεχόµενα του πυκνωτή

χρησιµοποιούνται ή όχι εκείνη τη στιγµή. Εξαιτίας του τρόπου κατασκευής του

κυκλώµατος αναζωογόνησης, το διάβασµα των περιεχοµένων των πυκνωτών έχει ως

αποτέλεσµα και τη διατήρηση τους. Αν το κύκλωµα αναζωογόνησης δεν υπήρχε,

τότε τα περιεχόµενα της µνήµης θα χάνονταν ακόµα και όταν ο υπολογιστής

τροφοδοτούνταν µε ρεύµα. Η DRAM ονοµάζεται δυναµική RAM, εξαιτίας της

διαδικασίας αναζωογόνησης των περιεχοµένων της.

25

5. ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΑΠΟ ΤΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

5.1. Εισαγωγή

Το λειτουργικό σύστημα (OS) είναι ένα πρόγραμμα το οποίο διαχειρίζεται τους

πόρους του υπολογιστή, παρέχει υπηρεσίες στους προγραμματιστές και διευθετεί την

εκτέλεση άλλων προγραμμάτων.

Μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει δύο κύριους σκοπούς:

• Την ευκολία χρήσης: Ένα λειτουργικό σύστημα κάνει πιο ευκολόχρηστο

έναν υπολογιστή.

• Την αποδοτικότητα: Ένα λειτουργικό σύστημα επιτρέπει να

χρησιμοποιούνται με αποδοτικό τρόπο οι πόροι του συστήματος του

υπολογιστή.

5.2. Διαχείριση Μνήμης Σε ένα μονοπρογραμματιστικό σύστημα, η κύρια μνήμη υποδιαιρείται σε δύο μέρη:

ένα μέρος για το λειτουργικό σύστημα (που παραμένει πάντοτε στη κύρια μνήμη) και

ένα μέρος για το πρόγραμμα που εκτελείται εκείνη τη στιγμή. Σε ένα

πολυπρογραμματιστικό σύστημα, το μέρος της μνήμης του «χρήστη» υποδιαιρείται

για να εξυπηρετηθούν πολλές διεργασίες. Το έργο της υποδιαίρεσης αυτής εκτελείται

δυναμικά από το λειτουργικό σύστημα και είναι γνωστό με τον όρο διαχείριση μνήμης

(memory management).

Η αποδοτική διαχείριση της μνήμης είναι ουσιαστικής σημασίας σε ένα

πολυπρογραμματιστικό σύστημα. Αν υπάρχουν μόνο λίγες διεργασίες στη μνήμη,

τότε, για το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου όλες τους θα είναι σε αναμονή για I/O και

ο επεξεργαστής θα αδρανεί. Έτσι, υπάρχει ανάγκη αποδοτικής εκχώρησης της

μνήμης για να χωρούν όσο περισσότερες διεργασίες είναι δυνατόν.

26

5.3. Αντιμετάθεση (swapping)

Στο παρακάτω σχήμα έχουμε μια ουρά μακροπρόθεσμων αιτήσεων διεργασιών, που

τυπικά είναι αποθηκευμένη σε δίσκο. Αυτές προσκομίζονται μια-μια, καθώς

απελευθερώνεται χώρος. Όταν οι διεργασίες ολοκληρώνονται, απομακρύνονται από

την κύρια μνήμη. Θα προκύψει λοιπόν η περιπτωση καμία από τις διεργασίες στη

μνήμη να μη βρίσκεται σε κατάσταση ετοιμότητας (π.χ. να είναι όλες σε αναμονή για

λειτουργία Ι/Ο). Αντί να παραμένει αδρανής, ο επεξεργαστής αντιμεταθέτει (swaps)

μία από τις διεργασίες αυτές πίσω στο δίσκο σε μια ενδιάμεση ουρά. Αυτή είναι μια

ουρά υπαρχόντων διεργασιών που προσωρινά απομακρύνθηκαν από τη μνήμη.

Κατόπιν, το λειτουργικό σύστημα προσκομίζει μια άλλη διεργασία από την

ενδιάμεση ουρά, ή αναποκρίνεται σε μια νέα αίτηση διεργασίας από την ουρά

μακροπρόθεσμων διεργασιών. Η εκτέλεση συνεχίζεται με τη νεοφερμένη διεργασία.

Η αντιμετάθεση (swapping) είναι παρόλα αυτά μια λειτουργία Ι/Ο, και άρα υπάρχει η

πιθανότητα αντί να λύσει το πρόβλημα, να το κάνει οξύτερο. Όμως, επειδή η

λειτουργία Ι/Ο με το δίσκο είναι γενικά η ταχύτερη λειτουργία Ι/Ο σε ένα σύστημα, η

αντιμετάθεση συνήθως βελτιώνει την απόδοση. Ένα πιο περίπλοκο σύστημα, το

οποίο περιλαμβάνει εικονική μνήμη (virtual memory), βελτιώνει την απόδοση σε

σχέση με την απλή αντιμετάθεση.

27

5.4. Κατάτμηση (partitioning) Το απλούστερο σχήμα κατάτμησης της διαθέσιμης μνημης είναι η χρήση τομέων

σταθερού μεγέθους, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Παρόλο που οι τομείς είναι

σταθερού μεγέθους, δεν υπάρχει ανάγκη να είναι απαραίτητα του ίδιου μεγέθους.

Όταν μια διεργασία προσκομίζεται στη μνήμη, τοποθετειται στο μικρότερο τομέα ο

οποίος μπορεί να τη χωρέσει.

Τομείς ίσου μεγέθους Τομείς άνισου μεγέθους

Ακόμα και με τη χρήση τομέων άνισου μεγέθους, θα υπάρχει σπατάλη μνήμης. Στις

περισσότερες περιπτώσεις, μια διεργασία που απαιτεί 3Mbyte μνήμης θα

τοποθετούνταν στον τομέα 4Μbyte σπαταλώντας έτσι 1Mbyte που θα μπορούσε να

χρησιμοποιηθεί από μια άλλη διεργασία.

Μια πιο αποδοτική προσέγγιση είναι η χρήση τομέων μεταβλητού μεγέθους. Όταν

προσκομίζεται μια διεργασία στη μνήμη, της εκχωρείται ακριβώς όση μνήμη

χρειάζεται και όχι παραπάνω.

5.5. Σελιδοποίηση (paging) Τόσο οι τομείς σταθερού μεγέθους όσο και οι μεταβλητού μεγέθους είναι μη

αποδοτικοί (όσον αφορά στη χρήση της μνήμης). Υποθεστε, όμως, ότι η μνήμη

28

κατατέμνεται σε τομείς ίσου μεγέθους που είναι σχετικά μικροί, και ότι κάθε

διεργασία, υποδιαιρείται επίσης σε μικρούς, σταθερού μεγέθους τομείς κάποιου

μεγέθους. Τότε, τα τμήματα ενός προγράμματος, γνωστά ως σελίδες (pages) θα

μπορούσαν να τοποθετητούν σε διαθέσιμους τομείς της μνήμης, γνωστούς με την

ονομασία πλαίσια (frames) ή πλαίσια σελίδων. Τότε, ο μέγιστος χώρος μνήμης που θα

μένει αχρησιμοποίητος για εκείνη τη διεργασία, είναι ένα κλάσμα της τελευταίας

σελίδας.

Αντιστοίχιση μεταξύ εικονικής και πραγματικής μνήμης.

Η σελιδοποίηση ελέγχεται από το λειτουργικό σύστημα. Ο χώρος των διευθύνσεων

χωρίζεται σε ίσα τμήματα τα οποία ονομάζονται σελίδες (pages). Το μέγεθος των

σελίδων είναι συνήθως δύναμη του δύο π.χ. 22 = 1024 bytes. Με την σελιδοποίηση, η

φυσική (πραγματική) μνήμη φαίνεται μεγαλύτερη απ’ότι πραγματικά είναι.

Το λειτουργικό σύστημα διατηρεί έναν πίνακα σελίδων (page table) για κάθε

διεργασία. Ο πίνακας σελίδων δείχνει τη θέση του πλαισίου για κάθε σελίδα της

διεργασίας. Εντός του προγράμματος, κάθε λογική διεύθυνση αποτελείται από έναν

αριθμό σελίδας και μια σχετική διεύθυνση μέσα στη σελίδα. Με τη σελιδοποίηση, η

μετατροπή από λογική σε φυσική διεύθυνση γίνεται από τα λογικά κυκλώματα του

επεξεργαστή. Ο επεξεργαστής πρέπει να γνωρίζει πως πρέπει να προσπελάσει τον

πίνακα σελίδων της τρέχουσας διεργασίας. Όταν του παρασχεθεί μια φυσική

29

διεύθυνση, ο επεξεργαστής χρησιμοποιεί τον πίνακα σελίδων για να παράγει μια

φυσική διεύθυνση. Για παράδειγμα:

Η κύρια μνήμη υποδιαιρείται σε πολλά μικρά, ισομεγέθη πλαίσια. Κάθε διεργασία

υποδιαιρείται σε σελίδες με μέγεθος πλαισίου. Οι μικρότερες διεργασίες απαιτούν

λιγότερες σελίδες, οι μεγαλύτερες περισσότερες. Όταν προσκομίζεται μια διεργασία,

οι σελίδες της βρίσκονται σε διαθέσιμα πλαίσια, και δημιουργείται ένας πίνακας

σελίδων.

5.6. Η εικονική μνήμη (Virtual Memory) Με τη χρήση της σελιδοποίησης, έγιναν πραγματικότητα τα αληθινά αποδοτικά

πολυπρογραμματιστικά συστήματα. Επιπλέον, η απλή τακτική της υποδιαίρεσης μιας

διεργασίας σε σελίδες οδήγησε στην ανάπτυξη μιας άλλη σημαντικής έννοιας: Της

εικονικής μνήμης.

30

5.6.1. Σελιδοποίηση κατ’απαίτηση Κατ’απαίτηση σελιδοποίηση σημαίνει ότι κάθε σελίδα της διεργασίας προσκομίζεται

μόνο όταν είναι αναγκαίο, δηλαδή κατ’απαίτηση. Με την κατ’απαίτηση

σελιδοποίηση, δεν υπάρχει ανάγκη να φορτωθεί μια ολόκληρη διεργασία στην κύρια

μνήμη. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατό μια διεργασία να έχει μεγαλύτερο μέγεθος

από ολόκληρη τη μνήμη.

Επειδή μια διεργασία εκτελείται μόνο όταν βρίσκεται στην κύρια μνήμη, η μνήμη

εκείνη αναφέρεται ως πραγματική μνήμη (real memory). Αλλά ένας

προγραμματιστής ή χρήστης αντιλαμβάνεται μια πολύ μεγαλύτερη μνήμη – εκείνη η

οποία του εκχωρείται στο δίσκο. Η τελευταία αυτή μνήμη αναφέρεται κατά συνέπεια

ως εικονική μνήμη (virtual memory). Η εικονική μνήμη επιτρέπει πολύ

αποτελεσματικό πολυπρογραμματισμό και απαλλάσσει το χρήστη από τους

περιορισμούς της κύριας μνήμης.

5.7. Τμηματοποίηση (segmentation) Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο μπορεί να υποδιαιρεθεί η μνήμη που μπορεί να

διευθυνσιοδοτηθεί είναι γνωστός με την ονομασία τμηματοποίηση. Η τμηματοποίηση

είναι συνήθως ορατή στον προγραμματιστή και παρέχεται ως μια ευκολία για την

οργάνωση προγραμμάτων και δεδομένων, και ως ένας τρόπος για το συσχετισμό

χαρακτηριστικών προνομιακού και προστατευτικού χαρακτήρα με τις εντολές και τα

δεδομένα.

Με την τμηματοποίηση έχουμε τα εξής πλεονεκτήματα:

• Απλοποιεί το χειρισμό αυξανόμενου μεγέθους δομών δεδομένων

• Επιτρέπει να αλλάζουν και να μεταγλωττίζονται ανεξάρτητα τα προγράμματα,

χωρίς να απαιτείται η επανασύνδεση και επαναφόρτωση ενός ολόκληρου

συνόλου προγραμμάτων.

• Είναι εύκολη η χρήση των πόρων από πολλές διεργασίες.

• Διευκολύνεται η προστασία δεδομένων.

31

6. Η ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

6.1. Εισαγωγή Η ALU είναι εκέινο το μέρος του υπολογιστή το οποίο εκτελεί αριθμητικές και

λογικές πράξεις με δεδομένα. Όλα τα άλλα στοιχεία του συστήματος του υπολογιστή

– η μονάδα ελέγχου, οι καταχωρητές, η μνήμη, η λειτουργία Ι/Ο – υπάρχουν κυρίως

για να προσκομίζουν δεδομένα στην ALU για να τα επεξεργαστεί, και κατόπιν

εξάγουν τα αποτελέσματα.

6.2. Αναπαράσταση Κινητής Υποδιαστολής Με σημειογραφία σταθερής υποδιαστολής είναι δυνατόν να αναπαρασταθεί ένα

διάστημα θετικών και αρνητικών ακεραίων με κέντρο το 0. Υποθέτοντας μια σταθερή

δυαδική υποδιαστολή, αυτή η μορφή μας επιτρέπει να αναπαραστήσουμε και

αριθμούς με κλασματική συνιστώσα.

Αυτή η προσέγγιση έχει περιορισμούς. Δεν μπορούν να αναπαρασταθούν πολύ

μεγάλοι αριθμοί, ούτε και πολύ μικρά κλάσματα. Επιπλέον, το κλασματικό μέρος του

πηλίκου σε μια διαίρεση δύο μεγάλων αριθμών θα μπορούσε να χαθεί.

Για δεκαδικούς αριθμούς, ο περιορισμός αυτός παρακάμπτεται χρησιμοποιώντας την

επιστημονική σημειογραφία. Έτσι ο αριθμός 976,000,000,000,000 μπορεί να

αναπαρασταθεί ως 976 x 1014 και ο 0.0000000000000976 μπορεί να αναπαρασταθεί

ως 976 x 10-14. Στην ουσία αυτό που κάναμε ήταν να μετατοπίσουμε δυναμικά τη

δεκαδική υποδιαστολή σε μια βολική θέση αυτής της δεκαδικής υποδιαστολής. Αυτό

μας επιτρέπει να αναπαραστήσουμε ένα διάστημα πολύ μεγάλων και πολύ μικρών

αριθμών με μόνο λίγα ψηφία.

Η ίδια αυτή προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δυαδικούς αριθμούς.

Μπορούμε να αναπαραστήσουμε έναν αριθμό με τη μορφή:

32

EBS ±×±

Αυτός ο αριθμός μπορεί να αποθηκευτεί σε μια δυαδική λέξη με τρία πεδία:

• Πρόσημο: Θετικό ή αρνητικό

• Σημαντικό μέρος S

• Εκθέτης Ε

Η βάση B υπονοείται και δεν υπάρχει ανάγκη να αποθηκευτεί, πειδή είναι ίδια για

όλους τους αριθμούς. Τυπικά, υποτίθεται ότι η υποδιαστολή βρίσκεται στα δεξιά του

πιο αριστερού, ή πιο σημαντικού bit του σημαντικού μέρους. Δηλαδή, υπάρχει ένα bit

στα αριστερά της υποδιαστολής.

Τυπική μορφή αριθμών 32bit με κινητή υποδιαστολή.

___________________________________________________________________________________ Παραδείγματα 1.1010001 x 210100 = 0 10010011 10100010000000000000000 = 1.638125 x 220 -1.1010001 x 210100 = 1 10010011 10100010000000000000000 = -1.638125 x 220 1.1010001 x 2-10100 = 0 01101011 10100010000000000000000 = 1.638125 x 2-20 -1.1010001 x 2-10100 = 1 01101011 10100010000000000000000 = -1.638125 x 2-20 _____________________________________________________________________ Το πιο αριστερό bit αναπαριστά το πρόσημο του αριθμού (0=θετικό, 1=αρνητικό). Η

τιμή του εκθέτη αποθηκεύεται στα επόμενα 8bit. Η αναπαράσταση που

χρησιμοποιείται είναι γνωστή ως πολωμένη αναπαράσταση. Μια σταθερή τιμή, που

ονομάζεται πόλωση, αφαιρείται από το πεδίο για να βρεθεί η πραγματική τιμή του

εκθέτη. Τυπικά, η πόλωση ισούται με (2k-1), όπου k είναι ο αριθμός των bit στο

δυαδικό εκθέτη.

Το τελικός μέρος της λέξης (23 bit στην περίπτωση αυτή) είναι το σημαντικό μέρος

(mantissa).

33

Για να απλοποιούνται οι πράξεις με αριθμούς κινητής υποδιαστολής, απαιτείται, στην

τυπική περίπτωση, να κανονικοποιούνται. Ένας κανονικοποιημένος αριθμός είναι

ένας αριθμός στον οποίο το πιο σημαντικό ψηφίο του σημαντικού μέρους είναι μη

μηδενικό. Για αναπαράσταση με βάση 2, ένας κανονικοποιημένος αριθμός είναι

εκείνος, στον οποίο το πιο σημαντικό bit του σημαντικού μέρους είναι 1. Όπως

αναφέραμε, η τυπική σύμβαση είναι ότι υπάρχει ένα bit στα αριστερά του σημείου

της υποδιαστολής. Έτσι, ένας κανονικοποιημένος μη μηδενικός αριθμός είναι εκέινος

με τη μορφή:

Ebbbb ±×± 2....1

όπου b είναι οποιοδήποτε δυαδικό ψηφίο (0 ή 1). Επειδή το πιο σημαντικό bit είναι

πάντοτε 1, δεν υπάρχει ανάγκη να το αποθηκεύουμε, άλλα υπονοείται. Έτσι, το πεδίο

των 23 bit χρησιμοποιείται για να αποθηκευτεί ένα σημαντικό μέρος με 24 bit, με

τιμλη στο ημιανοικτό διάστημα [1,2). Αν δοθεί ένας αριθμός που δεν είναι

κανονικοποιημένος, μπορεί να κανονικοποιηθεί μετατοπίζοντας την υποδιαστολή στα

δεξιά του πιο αριστερού bit με τιμή 1 και ρυθμίζοντας αντίστοιχα τον εκθέτη.

Παρατηρώντας τα παραπάνω παραδείγματα αριθμών σημειώνουμε τα εξής

χαρακτηριστικά:

• Το πρόσημο αποθηκεύεται στο πρώτο bit της λέξης.

• Το πρώτο bit του πραγματικού σημαντικού μέρους είναι πάντοτε 1 και δεν

υπάρχει ανάγκη να αποθηκεύεται στο πεδίο του σημαντικού μέρου.

• Η τιμή 127 προστίθεται στον πραγματικό εκθέτη για να αποθηκεύτεί στο

πεδίο του εκθέτη.

• Η βάση είναι 2.

6.3. Πρότυπο IEEE 754 για τη Δυαδική Αναπαράσταση Κινητής Υποδιαστολής Η πιο σημαντική αναπαράσταση κινητής υποδιαστολής καθορίζεται από το πρότυπο

754 του IEEE. Αυτό το πρότυπο αναπτύχθηκε για να διευκολυνθεί η φορητότητα των

προγραμμάτων από τον ένα επεξεργαστή στον άλλον, και για να προωθηθεί η

ανάπτυξη σύνθετων προγραμμάτων με προσανατολισμό τους υπολογισμούς. Το

πρότυπο έχει γίνει ευρέως αποδεκτό, και χρησιμοποιείται σε ουσιαστικά όλους τους

σύγχρονους επεξεργαστές και τους αριθμητικούς συνεπεξεργατές.

34

Το πρότυπο του IEEE καθορίζει τόσο μια μορφή απλής ακρίβειας με 32 bit, όσο και

μια μορφή διπλής ακρίβειας με 64 bit, με εκθέτες 8 και 11 bit, αντίστοιχα.

Η υπονοούμενη βάση είναι το 2. Επιπρόσθετα, το πρότυπο καθορίζει δύο εκτεταμένες

μορφές, απλή και διπλή, των οποίων ο ακριβής τύπος εξαρτάται από τη συγκεκριμένη

υλοποίηση. Οι εκτεταμένες μορφές μειώνουν την πιθανότητα εμφάνισης ενός τελικού

αποτελέσματος το οποίο έχει υποβαθμιστεί από υπερβολικό σφάλμα

στρογγυλοποίησης. Με τη μεγαλύτερη περιοχή τιμών τους, μειώνουν επίσης την

πιθανότητα να ακυρωθεί ένας ενδιάμεσος υπολογισμός λόγω υπερχείλισης, ενώ το

τελικό αποτέλεσμα θα μπορούσε να αναπαρασταθεί με μια βασική μορφή. Ένα

ακόμη κίνητρο για τη χρήση αυτής της μορφής απλής επέκτασης είναι ότι έχει κάποια

από τα πλεονεκτήματα μιας μορφής διπλής ακρίβειας, χωρίς όμως το κόστος σε

χρόνο που συνήθως απαιτεί η υψηλότερη ακρίβεια.

Δεν ερμηνεύονται με τον ίδιο τρόπο όλες οι ακολουθίες bit στις μορφές που καθόρισε

το IEEE. Αντίθετα, μερικές ακολουθίες bit χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση

ειδικών τιμών. Ο παρακάτω πίνακας υποδεικνύει τις τιμές που αντιστοιχούν σε

διάφορες ακολουθίες bit. Οι ακρότατες τιμές εκθέτη καθορίζουν ειδικές τιμές.

35

Μορφή

Παράμετροι Απλή Απλή εκτεταμένη Διπλή Διπλη εκτεταμένη

Εύρος λέξης (bit) 32 43≥ 64 79≥

Εύρος εκθέτη (bit) 8 11≥ 11 15≥

Πόλωση εκθέτη 127 Ακαθόριστη 1023 Ακαθόριστη

Μέγιστος εκθέτης 127 1023≥ 1023 16383≥

Ελάχιστος εκθέτης -126 1022−≤ -1022 16382−≤

Περιοχή τιμών

αριθμών (βάση 10)

10-38,10+38 Ακαθόριστη 10-308,10+308 Ακαθόριστη

Εύρος του σημαντικού

μέρους (bit)

23 31≥ 52 63≥

Αριθμός εκεθτών 254 Ακαθόριστός 2046 Ακαθόριστός

Αριθμός κλασμάτων 223 Ακαθόριστός 252 Ακαθόριστός

Αριθμός τιμών 1.98 x 231 Ακαθόριστός 1.98 x 263 Ακαθόριστός

Για τις τιμές εκθέτη στο διάστημα από 1 έως 254 για απλή ακρίβεια και 1 έως 2046

για διπλή ακρίβεια, αναπαρίστανται κανονικοποιημένοι μη μηδενικοί αριθμοί κινητής

υποδιαστολής. Ο εκθέτης είναι πολωμένος, ώστε ο αριθμός των εκθετών είναι από

-126 έως +127 για απλή ακρίβεια και από -1022 έως +1023. ένας κανονικοποιημένος

αριθμός απαιτεί ένα bit ίσος με 1 στα αριστερά του σημείου της δυαδικής

υποδιαστολής. Αυτό το bit υπονοείται, δίνοντας ένα ενεργό εύρος σημαντικού μέρους

με 24 ή 53 bit ( το οποίο ονομάζεται κλάσμα στο πρότυπο).

Ένας εκθέτης ίσος με μηδέν, μαζί με κλάσμα ίσο με μηδέν, αναπαριστά θετικό ή

αρνητικό μηδέν, ανάλογα με το bit προσήμου. Όπως αναφέρθηκε, έιναι χρήσιμο να

μπορούμε να αναπαραστήσουμς μια τιμή ακριβώς ίση με το μηδέν.

Ένας εκθέτης με όλα του τα ψηφία ίσα με 1 μαζί με ένα μηδενικό κλάσμα

αναπαριστά θετικό ή αρνητικό άπειρο ανάλογα με το bit προσήμου. Είναι χρήσιμο να

έχουμε μια αναπαράσταση του απείρου. Αυτό επιτρέπει στο χρήστη να αποφασίσει

αν θα συμπεριφερθεί στην υπερχείλιση ως συνθήκη σφάλματος ή θα μεταφέρει την

τιμή ∞ και θα προχωρήσει με την εκτέλεση του προγράμματος.

36

Ένας εκθέτης με όλα τα ψηφία του 0 με ένα μη μηδενικό κλάσμα αναπαριστά ένα

αποκανονικοποιημενο αριθμό. Στην περίπτωση αυτή, το bit στα αριστερά της

δυαδικής υποδιαστολής είναι μηδέν, και ο πραγματικός εκθέτης είναι -126 ή -1022. Ο

αριθμός είναι θετικός ή αρνητικός ανάλογα με το bit προσήμου.

Ένας εκθέτης με όλα του τα ψηφία ίσα με 1, μαζί με ένα μη μηδενικό κλάσμα παίρνει

την τιμή NaN, που σημαίνει Όχι αριθμός (Not a Number), και χρησιμοποιείται για να

σηματοδοτήσει διάφορες συνθήκες εξαίρεσης.

37

7. ΟΜΑΔΕΣ ΕΝΤΟΛΩΝ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ

7.1. Εισαγωγή Η λειτουργία της CPU καθορίζεται από τις εντολές που εκτελεί, και που ονομάζονται

εντολές μηχανής (machine instructions) ή εντολές υπολογιστή (computer instructions).

Η συλλογή των διαφορετικών εντολών που μπορεί να εκτελέσει η CPU ονομαζεται

ομάδα εντολών (instruction set).

7.2. Στοιχεία Εντολής Μηχανής Κάθε εντολή πρέπει να περιέχει τις πληροφορίες που χρειάζεται η CPU για την

εκτέλεση. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τα βήματα που αφορούν στην εκτέλεση

εντολής και, συνεπώς, ορίζονται τα στοιχεία μιας εντολής μηχανής. Τα στοιχεια αυτά

είναι τα παρακάτω:

• Κώδικας λειτουργίας: Καθορίζει την πράξη που θα εκτελεστεί. Η πράξη

καθορίζεται με έναν ψηφιακό κώδικα, γνωστό σαν κώδικα λειτουργίας ή

opcode.

• Αναφορά τελεστέου πηγής: Η πράξη μπορεί να αφορά σε ένα ή

περισσότερους τελεστέους πηγής, δηλαδή, τελεστέους που είναι είσοδοι για

την πράξη.

• Αναφορά τελεστέου αποτελέσματος: Η πράξη μπορεί να δώσει αποτέλεσμα.

• Αναφορά επόμενης εντολής: Αυτή λέει στην CPU που μπορεί να προσάγει

την επόμενη εντολή μετά την πλήρη εκτέλεση αυτής της εντολής.

38

Η επόμενη εντολή που θα προσαχθεί βρίσκεται στην κύρια μνήμη, ή, στην περίπτωση

συστήματος με εικονική μνήμη, είτε σε κύρια μνήμη είτε σε δευτερεύουσα μνήμη.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, η επόμενη εντολή που θα προσαχθεί ακολουθεί

αμέσως μετά την τρέχουσα εντολή. Στις περιπτώσεις εκείνες, δεν υπάρχει

συγκεκριμένη αναφορά στην επόμενη εντολή. Όταν χρειάζεται σαφής αναφορά, τότε

θα πρέπει να δοθεί η διεύθυνση κύριας μνήμης ή εικονικής μνήμης.

Οι τελεστέοι πηγής και αποτελέσματος μπορούν να βρίσκονται σε μια από τρείς

περιοχές:

• Κύρια ή εικονική μνήμη: Όπως συμβαίνει και με τις αναφορές επόμενης

εντολής θα πρέπει να δοθεί η διεύθυνση κύριας ή εικονικής μνήμης.

• Καταχωρητής CPU: Μια CPU περιέχει έναν ή περισσότερους καταχωρητές

στους οποίους μπορούν να αναφερθούν οι εντολές μηχανής. Αν υπάρχει μόνο

ένας καταχωρητής, η αναφορά σ’αυτόν μπορεί να εννοείται. Αν υπάρχουν

περισσότεροι από έναν καταχωρητές, τότε σε κάθε καταχωρητή ανατίθεται

ένας μοναδικός αριθμός, και η εντολή θα πρέπει να περιέχει τον αριθμό του

επιθυμητού καταχωρητή.

• Συσκευή Ι/Ο: Η εντολή θα πρέπει να καθορίζει την μονάδα και συσκευή

λειτουργίας Ι/Ο. Αν χρησιμοποιηθεί Ι/Ο με απεικόνιση μνήμης, αυτή θα είναι

39

απλά μια ακόμη διεύθυνση κύριας μνήμης, αυτή θα είναι απλά μια ακόμη

διεύθυνση κύριας ή εικονικής μνήμης.

7.3. Παράσταση Εντολών Κάθε εντολή παριστάνεται με μια σειρά από bit. Η εντολή διαιρείται σε πεδία, που

αντιστοιχούν στα στοιχεία που αποτελούν την εντολή.

Απλή Μορφοποίηση Εντολής

Στις περισσότερες ομάδες εντολών, χρησιμοποιούνται περισσότερες από μια

μορφοποιήσεις. Κατά την διάρκεια της εκτέλεσης εντολής, η εντολή διαβάζεται σε

καταχωρητή εντολής (Instruction register) στην CPU. Η CPU πρέπει να μπορεί να

εξάγει τα δεδομένα από τα διάφορα πεδία της εντολής για να εκτελέσει την

απαιτούμενη λειτουργία.

Οι opcode παριστάνονται με συντμήσεις, που ονομάζονται μνημονικοί (κανόνες), οι

οποίοι δείχνουν την λειτουργία. Μερικά παραδείγματα είναι:

SUB Αφαίρεση MPY Πολλαπλασιασμός DIV Διαίρεση LOAD Φόρτωση δεδομένων από την μνήμη STOR Απομνημόνευση δεδομένων στην μνήμη

40

8. ΟΜΑΔΕΣ ΕΝΤΟΛΩΝ: ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗΣ

8.1. Εισαγωγή Η αναφορά τελεστέου σε μια εντολή είτε περιέχει την πραγματική τιμή του τελεστέου

(άμεση) είτε μια αναφορά προς την διεύθυνση του τελεστέου. Στις διάφορες ομάδες

εντολών χρησιμοποιείται μια μεγάλη ποικιλία τρόπων διευθυνσιοδότησης.

8.2. Διευθυνσιοδότηση Το πεδίο ή πεδία διευθύνσεων σε μια συνηθισμένη μορφοποίηση εντολής είναι

σχετικά μικρά. Θα θέλαμε να μπορούμε να αναφερόμαστε σε μια μεγάλη περιοχή

θέσεων της κύριας μνήμης ή της ιδεατής μνήμης. Για να πετύχουμε αυτότον σκοπό,

έχει χρησιμοποιηθεί μια ποικιλία τεχνικών διευθυνσιοδότησης.

Οι πιο συνηθισμένες τεχνικες διευθυνσιοδότησης είναι:

1. Άμεση

2. Απευθείας

3. Έμμεση

4. Καταχωρητή

5. Έμμεση καταχωρητή

6. Μετατόπισης

7. Σωρού

8.3. Άμεση Διευθυνσιοδότηση Η απλούστερη μορφή διευθυνσιοδότησης είναι η άμεση διευθυνσιοδότηση, όπου ο

τελεστέος στην πραγματικότητα βρίσκεται στην εντολή.

Το πλεονέκτημα της άμεσης διευθυνσιοδότησης είναι ότι, για να πάρουμε τον

τελεστέο, δεν χρειάζεται άλλη αναφορά μνήμης εκτός από την προσαγωγή της

εντολής, πράγμα που εξοικονομεί μια περίοδο μνήμης ή μνήμης cache στον κύκλο

41

εντολής Το μειονέκτημα είναι ότι το μέγεθος του αριθμού περιορίζεται στο μέγεθος

του πεδίου διεύθυνσης το οποίο, στις περισσότερες ομάδες εντολών, είναι μικρό σε

σύγκριση με το μήκος λέξης.

8.4. Απευθείας Διευθυνσιοδότηση Μια πολύ απλή μορφή διευθυνσιοδότησης είναι η απευθείας διευθυνσιοδότηση, όπου

το πεδίο διεύθυνσης περιέχει την ενεργό διεύθυνση του τελεστέου. Ο προφανής

περιορισμός είναι ότι προσφέρει μόνο περιορισμένο χώρο διεύθυνσης.

8.5. Έμμεση Διευθυνσιοδότηση Στην απευθείας διευθυνσιοδότηση, το μήκος του πεδίου διεύθυνσης είναι συνήθως

μικρότερο από το μήκος λέξης, πράγμα που περιορίζει το πεδίο τιμών της

διεύθυνσης. Μια λύση είναι να κάνουμε το πεδίο διεύθυνσης να αναφέρεται στην

διεύθυνση μιας λέξης στην μνήμη, η οποία με την σειρά της θα περιέχει μια

42

διεύθυνση πλήρους μήκους του τελεστέου. Αυτό είναι γνωστό ως έμμεση

διευθυνσιοδότηση (indirect addressing).

8.6. Διευθυνσιοδότηση Καταχωρητή Η διευθυνσιοδότηση καταχωρητή είναι παρόμοια με την απευθείας

διευθυνσιοδότηση. Η μόνη διαφορά είναι ότι το πεδίο διεύθυνση αναφέρεται σε

καταχωρητή αντί σε διεύθυνση κύριας μνήμης.

Συνήθως, ένα πεδίο διεύθυνσης που αναφέρεται σε καταχωρητές θα έχει από 3 έως 5

bit, έτσι ώστε να μπορεί να γίνει αναφορά σε σύνολο από 8 μέχρι 32 καταχωρητών

γενικής χρήσης.

Τα πλεονεκτήματα της διευθυνσιοδότησης καταχωρητή είναι ότι:

1. στην εντολή χρειάζεται μόνο ένα μικρό πεδίο διεύθυνσης, και

2. δεν χρειάζεται αναφορά σε μνήμη.

43

8.7. Έμμεση Διευθυνσιοδότηση Καταχωρητή Όπως η διευθυνσιοδότηση καταχωρητή είναι αντίστοιχη με την απευθείας

διευθυνσιοδότηση, η έμμεση διευθυνσιοδότηση καταχωρητή είναι αντίστοιχη της

έμμεσης διευθυνσιοδότησης. Και στις δύο περιπτώσεις, η μόνη διαφορά είναι αν το

πεδίο διεύθυνσης αναφέρεται σε θέση μνήμης ή σε καταχωρητή.

8.8. Διευθυνσιοδότηση Μετατόπισης Ένας πολύ ισχυρός τρόπος διευθυνσιοδότησης συνδυάζει τις δυνατότητες της

απευθείας διευθυνσιοδότησης και την έμμεση διευθυνσιοδότησης καταχωρητή. Η

διευθυνσιοδότηση μετατόπισης ζητά από την εντολή να έχει δύο πεδία διεύθυνσης,

από τα οποία το ένα τουλάχιστον να είναι συγκεκριμενο. Η τιμή που περιέχεται στο

44

ένα πεδίο διέυθυνσης (τιμή = Α) χρησιμοποιειται απευθείας. Το άλλο πεδίο

διεύθυνσης, ή εννοούμενη αναφορά που βασίζεται σε opcode, αναφέρεται σε

καταχωρητή του οποίου τα περιεχόμενα προστίθενται στο Α για να δημιουργηθεί μια

ενεργός διεύθυνση.

8.9. Διευθυνσιοδότηση Σωρού Ο τελευταίος τρόπος διευθυνσιοδότησης είναι η διευθυνσιοδότηση σωρού. Σωρός

είναι μια γραμμική διάταξη θέσεων. Μερικές φορές ονομαζεται κατάλογος ώθησης

προς τα κάτω (pushdown list) ή ουρά τελευταίο μέσα πρώτο έξω (last-in-first-out

queue). Ο σωρός είναι ένα κρατημένο κομμάτι θέσεων. Αντικείμενα προσκολούνται

στην κορυφή του σωρού έτσι ώστε, σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή, το κομμάτι να

είναι μερικώς γεμάτο. Με το σωρό σχετίζεται ένας ενδείκτης του οποίου η τιμή είναι

η διεύθυνση της κορυφής του σωρού. Εναλλακτικά, τα επάνω δύο στοιχεία του

σωρού μπορεί να βρίσκονται σε καταχωρητές της CPU, οπότε στην περίπτωση αυτή

ο ενδείκτης σωρού θα ανφέρεται στο τρίτο στοιχείο του σωρού. Ο ενδείκτης σωρού

κρατείται σε ένα καταχωρητή. Έτσι, οι αναφορές σε θέσεις του σωρού στην μνήμη θα

είναι στην πραγματικότητα έμμεσες διευθύνσεις καταχωρητή.

45

Διευθυνσιοδότηση σωρού.

46

9. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ CPU

9.1. Εισαγωγή Οι λειτουργίες που πρέπει να κάνει η CPU είναι οι εξής:

• Προσαγωγή εντολών

• Εντολή διακοπής

• Προσαγωγή δεδομένων

• Επεξεργασία δεδομένων

• Εγγραφή δεδομένων

Τα κύρια συστατικά της CPU είναι η αριθμητική και λογική μονάδα (arithmetic and

logic unit, ALU), και η μονάδα ελέγχου (control unit, CU). H ALU εκτελεί τoυς

υπολογισμούς ή την επεξεργασία των δεδομένων. Η μονάδα ελέγχου ελέγχει την

κίνηση των δεδομένων και των εντολών προς και από την CPU και ελέγχει την

λειτουργία της CPU. Επιπλέον στο παρακάτω σχήμα φαίνεται μια ελάχιστη

εσωτερική μνήμη, που αποτελείται από μια ομάδα θέσεων απομνημόνευσης, που

ονομάζονται καταχωρητές (registers).

47

9.2. Κύκλος Εντολής Ο κύκλος εντολής περιλαμβάνει τους παρακάτω υπόκυκλους:

• Προσαγωγή: Ανάγνωση της επόμενης εντολής από την μνήμη στην CPU.

• Εκτέλεση: Διακοπή του opcode και εκτέλεση της αναφερόμενης πράξης.

• Διακοπή: Αν οι διακοπές είναι ενεργοποιημένες και έχει συμβεί διακοπή,

απομνημόνευση της τρέχουσας διεργασίας και υπηρέτηση της διακοπής.

Ο Κύκλος Εντολής.

Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε το καταστικό διάγραμμα του κύκλου εντολής.

Καταστικό Διάγραμμα Κύκλου Εντολής