Система команд персонального компьютера с использованием стековой памяти

Разделы: Информатика, Конкурс «Презентация к уроку»

Презентация к уроку

Загрузить презентацию (174 кБ)

Базовый учебник: И.В.Максимов, И.И.Попов, «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем». Москва. Издательство Академия. 2014.

Цель урока: Ввести понятия система команд персонального компьютера, стековая организация памяти. Закрепить и систематизировать знания учащихся об ускорении работы процессора и системе команд персонального компьютера.

Задачи:

  • обучающие: акцентировать внимание учащихся на системе команд персонального компьютера и стековой организации памяти;
  • развивающие: формирование интереса к предмету; развивать память, внимание, словесно-логическое мышление, формировать потребность в обучении и саморазвитии, раскрывать творческий потенциал учащихся;
  • воспитательные: воспитание самостоятельности, воспитание культуры интеллектуального труда.

Тип урока: Комбинированное занятие.

Необходимое техническое оборудование: Персональные компьютеры, различные носители информации, проектор, экран.

План урока:

  1. Организационный момент (5 мин).
  2. Постановка темы и цели урока (5 мин).
  3. Систематизация знаний и умений по пройденному материалу. Опрос учащихся (15 мин).
  4. Объяснение нового материала. Ввести понятия система команд персонального компьютера, стековая организация памяти. Закрепить и систематизировать знания учащихся об ускорении работы процессора и системе команд персонального компьютера.  (15 мин.)
  5. Просмотр презентации на ПК. Работа с учебником (15 мин.)
  6. Практическая работа. Закрепление полученных знаний.(25 мин.)
  7. Постановка домашнего задания (5 мин.).
  8. Подведение итогов урока. Выставление оценок (5 мин.).

Ход урока

1. Организационный момент

Цель: Организовать группу, создание обстановки для естественного самовыражения обучающегося.

Вместе с дежурным учитель проверяет готовность класса к уроку, отмечает отсутствующих.

2. Постановка темы и цели урока

Цель: Ознакомление с темой урока, постановка проблемы, цели урока.

При постановке проблемы используется ПК для наглядности.

3. Систематизация знаний и умений по пройденному материалу

Цель: Обобщение и систематизация знаний. Развитие логических умений: сравнивать, выделять главное.

Для подготовки учащихся к усвоению нового материала повторяются и систематизируются их знания и умения в процессе устного опроса:

  1. Вспомните, какие системы команд для ПК, вы знаете.
  2. Сформулируйте, из чего состоит у Вас домашний ПК?
  3. Сформулируйте, какие характеристики работы ПК важны?

4. Изложение нового материала

Ввести понятия: стековая организация памяти.

Цель: Усвоение новых знаний, создание положительного эмоционального настроя на работу всех учащихся.

Стековая память широко используется в ЭВМ для запоминания содержимого регистров процессора (контекста прерываемой программы), при обработке запросов на прерывания и вызове подпрограмм. При этом стековая память либо включается в состав процессора отдельным аппаратным блоком, либо реализуется аппаратно- программным путем. Наиболее распространенным в настоящее время является внешний или аппаратно- программный стек, под который отводится часть ОП в области старших адресов. Так как обычно программы размещаются в ОП начиная с младших адресов, то такое расположение стека позволяет уменьшить вероятность перекрытия областей программы и стека при увеличении их размеров.

Магазинная (стековая) память организуется по принципу “Последний пришел, первый вышел” (LIFO- Last In First Out), или “Первый пришел, первый вышел” (FIFO- First In First Out). Принцип организации стековой памяти показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Организации стековой памяти

При создании компьютера одновременно проектируют и систему команд (СК).

Влияние на выбор операций оказывают:

  • элементная база и технологический уровень производства компьютеров;
  • класс решаемых задач;
  • системы команд для компьютеров аналогичного класса;
  • требования к быстродействию обработки данных.

Виды структуры команд:

  • одноадресные (1A),
  • двухадресные (2A),
  • трехадресные (3A),
  • безадресные (БА),
  • команды с большой длиной слова (VLIW )

Операнд может указываться как адресом, так и непосредственно в структуре команды.

В случае БА-команд операнды выбираются и результаты помещаются в стек.

Первыми представителями БА-компьютеров являются KDF-9 и МВК "Эльбрус" (наличие стековой памяти).

Стек – это область оперативной памяти, которая используется для временного хранения данных и операций. Доступ к элементам стека осуществляется по принципу FILO (first in, last out) – первым вошел, последним вышел.

Функционирование процессора со стековой организацией памяти.

При выполнении различных вычислительных процедур процессор использует либо новые операнды, до сих пор не выбиравшиеся из памяти компьютера, либо операнды, употреблявшиеся в предыдущих операциях.

В процессорах с классической структурой обращение к любому операнду (1A-ЭВМ) требует цикла памяти.

Рассмотрим пример программы вычисления формулы

Рисунок 2.

Операнд a выбирается из памяти 2 раза (команды 4 и 5), 

b – 3 раза (команды 2, 7 и 8).

Потребовались дополнительные обращения к памяти для запоминания и вызова из памяти результатов промежуточных вычислений (команды 3, 6, 9, 10).

Главным фактором, ограничивающим быстродействие компьютера, является время цикла памяти, тогда необходимость в дополнительных обращениях к памяти значительно снижает скорость его работы.

Принципиально необходимы обращения к памяти за данными в первый раз. В дальнейшем они могут храниться в триггерных регистрах или СОЗУ.

Стековая память представляет собой набор из n регистров, каждый из которых способен хранить одно машинное слово.

Одноименные разряды регистров P1, P2,...,Pn  соединены между собой цепями сдвига.

Весь набор регистров представляет группу n‑разрядных сдвигающих регистров, составленных из одноименных разрядов регистров P1, P2, ..., Pn.

Информация в стеке может продвигаться между регистрами вверх и вниз.

Регистры P1 и P2 связаны с АЛУ, образуя два операнда для выполнения операции.

Результат операции записывается в P1.

Одновременно с выполнением арифметической операции (АО) осуществляется продвижение операндов вверх, не затрагивая P1, т. е. (P3) —> P2,

(P4) —> P3 и т.д.

Для эффективного использования возможностей памяти в ЭВМ вводятся специальные команды:

  • дублирование ~ (P1) —> P2, (P2) —> P3, ... и т. д., а (P1) остается при этом неизменным;
  • реверсирование ~ (P1) —> P2, а (P2) —> P1, что удобно для выполнениянекоторых операций.

5. Просмотр презентации

В то же время команды, осуществляющие вызов или запоминание информации из главной памяти, требуют указания адреса операнда. Поэтому в ЭВМ со стековой памятью используются команды переменной длины. Например, в KDF-9 команды АО – однослоговые, команды обращения к памяти и передач управления – трех слоговые, остальные – двуслоговые.

Команды располагаются в памяти в виде непрерывного массива слогов независимо от границ ячеек памяти. Это позволяет за один цикл обращения к памяти вызвать несколько команд.

Рассмотрим предыдущий пример с использованием стека.

Рисунок 3. Пример выполнения программы с использованием стековой памяти.

Преимущества стековой памяти:

  • уменьшение количества обращений к памяти;
  • упрощение способа обращения к подпрограммам и обработки прерываний.

Недостатки стековой организации памяти:

  • большое число регистров с быстрым доступом;
  • необходимость в дополнительном оборудовании, чтобы следить за переполнением стековой памяти;
  • приспособленность главным образом для решения научных задач, а не для систем обработки данных или управления технологическими процессами.

6. Закрепление полученных знаний

Цель: Закрепление нового материала. Обобщение полученных знаний. Развитие логического мышления. Формирование навыков самоконтроля. Воспитание воли, настойчивости и трудолюбия.

 Задание:

Порядок выполнения работы:

Запишите программу, как показано в примере, с использованием стековой памяти.

Выполнение практического задания.

Проверяется правильность выполнения задания.

Фронтальным опросом вместе с учащимися подводятся итоги урока.

  1. Какие существуют способы адресации?
  2. Дайте определение понятию «стековая организация памяти».
  3. Перечислите достоинства стековой организация памяти.
  4. Перечислите недостатки стековой организация памяти.

7. Постановка домашнего задания

Цель: Закрепление знаний, применение знаний. Развитие умений и навыков. Воспитание воли, настойчивости, трудолюбия. Воспитание самоконтроля.
На дом задается прочитать объяснительный текст по учебнику «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» И.В.Максимов, И.И.Попов

8. Подведение итогов урока

Цель: Выставление оценок ученикам, анализ ответов учеников, выяснить, что понравилось (не понравилось) и почему.

Обсудить с детьми, что узнали (чем овладели), что понравилось (не понравилось) и почему, что бы хотелось выполнить еще раз. Выставление оценок (поощрение) при опросе на уроке не только правильного ответа ученика, но и анализ того, как ученик рассуждал, какой способ использовал, почему и в чем ошибся. Отметка аргументируется по ряду параметров: правильности, самостоятельности, оригинальности.