Самодел 1 (Старые версии Машбука или нечто подобное), страница 4

Тип данных – определенный формат данных, с конкретным набором операций, известных для этого формата. Т.е. если выполняется команда «плавающий арифметикой» (арифметика с плавающей точкой),то она выполнится нормально в том и только в том случае, если операнды помечены как данные в формате с плавающей точкой, иначе произойдет ошибка. Соответственно при записи можно назначать, что эта ячейка есть плавающая точка – определенный режим.

Важной характеристикой ОП является производительность ОП.

Производительность оперативной памяти - скорость доступа процессора к данным, размещенным в ОЗУ:

Cкорость доступа к данным ОЗУ существенно ниже скорости обработки информации в ЦП.

Фигурируют два компонента, которые определяют эту характеристику производительности:

•время доступа (access time- taccess) - время между запросом на чтение слова из оперативной памяти и получением содержимого этого слова.

•длительность цикла памяти (cycle time - tcycle) - минимальное время между началом текущего и последующего обращения к памяти.

(tcycle>taccess)

Необходимо, чтобы итоговая скорость выполнения команды процессором как можно меньше зависела от скорости доступа к коду команды и к используемым в ней операндам из памяти.

На самом деле одна из целей нашего курса проследить взаимосвязи влияния, которое оказывает производительность одного компонента на другой компонент и те обще системные решения, которые появляются в ВС в целом и в аппаратуре в частности для сглаживания дисбаланса в производительности. Эта одна из основных проблем, которые есть в архитектуре компьютера и в организации операционной системы. В связи с этим одно из аппаратных решений, которое применяется в архитектуре компьютера и предназначено для сглаживания дисбаланса между производительностью компьютера и производительностью ОП, есть расслоение памяти.

Расслоение памяти

Расслоение ОЗУ – один из аппаратных путей решения проблемы дисбаланса в скорости доступа к данным, размещенным в ОЗУ и производительностью ЦП. Суть его в следующем: предполагается, что вся память аппаратно разделена на последовательность областей, каждая из которых называется банк памяти и ОП физически представляется как объединение k банков памяти. Соответственно для управления ОП существует аппаратура, которая обеспечивает функцию управления, это контроллер ОП. Он может состоять из двух уровней – это контроллер доступа к памяти в целом, который имеет k своих внутренних каналов, которые могут работать параллельно, и каждый из каналов связан с контролем соответствующего банка памяти. Ячейки памяти расположены между соседними банками. Это означает, что в нулевом банке находится нулевая ячейка, в первом банке – первая ячейка и т.д. , в k-1 м банке k-1 – я ячейка, k – я ячейка находится в нулевом банке, k+1 – в первом и т.д. Все адреса размазаны по этим банкам. Всегда гарантированно, что соседние адреса, если их не более k находятся в разных банках. Это и есть аппаратная организация. Соответственно, если имеется ОП без расслоения памяти и с расслоением, то мы имеем следующую картину:

Последовательное чтение рядом стоящих ячеек памяти в одном случае время будет сравнимо с количеством этим ячеек умноженное на время цикла памяти, а в другом случае кол-во ячеек, умноженное на время доступа. И за счет того, что время цикла всегда больше времени доступа, мы имеем выигрыш. Соответственно при расслоении памяти используется следующий принцип: обычно количество банков памяти есть степень двойки – это означает, что если взять адрес, который используется в машине, и вырезать из этого адреса какое-то количество разрядов, то получается номер банка. Т.о. получая исполнительный адрес, данные сразу же попадают на нужный банк. Суть в том, что мы можем при запросе последовательных адресов параллельно запускать доступ к разным банкам, т.е. оптимизировать доступ к рядом стоящим ячейкам памяти..

Другие пути решения данной проблемы – возможность предварительной буферизации при чтении команд/данных и оптимизация при записи в ОЗУ больших объемов данных.

Центральный процессор

Процессор или центральный процессор (ЦП) компьютера обеспечивает последовательное выполнение машинных команд, составляющих программу, размещенную в оперативной памяти. Осуществляется выбор машинного слова, содержащего очередную машинную команду, дешифрация команды, контроль корректности данных, определение исполнительных адресов операндов, получение значения операндов и исполнение машинной команды.

Регистровая память – совокупность устройств памяти ЦП ,предназначенных для временного хранения операндов, информации, результатов операций.

Устройство управления (control unit)– координирует выполнение команд программы процессором.

Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic unit) –обеспечивает выполнение команд, предусматривающих арифметическую или логическую обработку операндов.

Регистровая память

Регистры общего назначения (РОН)

Регистры общего назначения (РОН) используются в машинных командах для организации индексирования и определения исполнительных адресов операндов, а также для хранения значений наиболее часто используемых операндов, в этом случае сокращается число реальных обращений в ОЗУ и повышается системная производительность ЭВМ.

Качественный и количественный состав специализированных регистров ЦП зависит от архитектуры ЭВМ. Выше представлены некоторые из возможных типов регистров, обычно входящие в состав специализированных регистров.

Регистр адреса (РА) - содержит адрес команды, которая исполняется в данный момент времени. По содержимому РА ЦП осуществляет выборку текущей команды, по завершении ее исполнения регистр адреса изменяет свое значение тем самым указывает на следующую команду, которую необходимо выполнить.

Регистр результата (РР) - содержит код, характеризующий результат выполнения последней арифметико-логической команды. Содержимое РР может характеризовать результат операции. Для арифметических команд это может быть «=0», «>0», «<0», переполнение. Содержимое РР используется для организации ветвлений в программах, а также для программного контроля результатов.

Слово – состояние процессора (ССП или PSW) - регистр, содержащий текущие «настройки» работы процессора и его состояние. Содержание и наличие этого регистра зависит от архитектуры ЭВМ. Например, в ССП может включаться информация о режимах обработки прерываний, режимах выполнения арифметических команд и т. п. Частично, содержимое ССП может устанавливаться специальными командами процессора.

Регистры внешних устройств (РВУ) - специализированные регистры, служащие для организации взаимодействия ЦП с внешними устройствами. Через РВУ осуществляется обмен данными с ВУ и передача управляющей информации (команды управления ВУ и получения кодов результат обработки запросов к ВУ).

Регистр указатель стека - используется для ЭВМ, имеющих аппаратную реализацию стека, в данном регистре размещается адрес вершины стека. Содержимое изменяется автоматически при выполнении «стековых» команд ЦП.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство

Устройство управления (control unit)– координирует выполнение команд программы процессором.

Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic unit) – обеспечивает выполнение команд, предусматривающих арифметическую или логическую обработку операндов.

Эти устройства являются «мозгом» процессора. Как именно функционирование этих устройств обеспечивает выполнение программ? Для ответа на этот вопрос рассмотрим упрощенную схему выполнения программ, иногда называемую рабочим циклом процессора.

Пусть у нас имеется специальный регистр - счетчик команд. В начальный момент времени в счетчике команд образуется адрес первой команды программы. Договоримся о том, что любая команда размещается в одном машинном слове и адреса соседних машинных слов различаются на 1. Рассмотрим последовательность действий в УУ процессора при выполнении программы.

По содержимому счетчика команд на выполнение из памяти выбирается очередная команда. Далее формируется адрес следующей команды, которая должна выполнится, т.е. счетчик команд увеличивается на 1. После этого в УУ происходит анализ кода операции, которая находится в выбранной команде, если это арифметико-логическая команда, то происходит вычисление исполнительных адресов операндов и выбор соответствующих их значений, и после этого идет обращение в АЛУ, в пределах которого выполняется эта команда. После этого цикл возвращается на этап выбора очередной команды по содержимому счетчика команд. Если после анализа кода операции выяснилось, что это не есть арифметико-логическая команда, а некоторая команда отличающаяся, (т.е. если, например, это команда передачи управления), то происходит анализ условия перехода. Это означает автоматический выбор специального регистра и по его значению принимается решение о переходе, если условие не выполнено, то мы переходим к выбору следующей команды, иначе происходит вычисление исполнительного адреса и счетчику команд присваивается этот адрес перехода и опять осуществляется переход на этап выборки команды по значению счетчика команд.

Рабочий цикл процессора

Рабочий цикл процессора – последовательность действий, происходящая в процессоре во время выполнения программы.

Кэш-память (L1)

Вернемся к проблеме дисбаланса скорости доступа к ОЗУ и скорости обработки информации ЦП.

Первое решение – использовать программные средства. Программист может разместить наиболее часто используемые операнды в РОН, тем самым сокращается количество «медленных» обращений в ОЗУ. Результат решения во многом зависит от качества программирования.

Второе решение – использование в архитектуре ЭВМ специальных регистровых буферов или КЭШ памяти (Аппаратное решение). Традиционно, в развитых ЭВМ используется аппаратная буферизация доступа к операндам команд, а также к самим командам. Регистровые буфера или КЭШ память предназначены для разрешения проблемы несоответствия скоростей работы ОЗУ и ЦП, на аппаратном уровне, т.е. эта форма оптимизации в системе организована аппаратно и работает всегда, вне зависимости от исполняемой программы.

Кэш память (cache memory) первого уровня (L1)

Автоматически минимизирует число обращений к ОП за командами и операндами команд. Обмен данными между КЭШем и оперативной памятью осуществляется блоками фиксированного размера .

Адресный тег блока содержит служебную информацию о блоке (соответствие области ОЗУ, свободен/занят блок, ......).

Нахождения данных в КЭШе - попаданием (hit). Если искомых данных нет в КЭШе, то фиксируется промах (cach miss).

При возникновении промаха происходит обновление содержимого КЭШа - вытеснение.

Появляется вопрос кого “убирать”? Существуют различные дифференцированные критерии решения этой проблемы.

Стратегии вытеснения:

•случайная;

Это когда в системе есть в системе датчик случайных чисел (аппаратный) и он будет генерировать номер того блока, который должен быть освобожден.

•вытеснение наименее популярного (LRU - Least-Recently Used).

Наиболее распространенный и простой критерий - вытеснять из таблицы самую “старую” строчку. А признаком старения может быть, например, количество обращений к буферу, при котором нет обращения к этой строчке.

Вытеснение КЭШ’а данных:

•сквозное кэширование (write-through caching)

эта стратегия предусматривает при появлении команды записи менять содержимое соответствующего операнда в блоке КЭШа и сбрасывать этот блок в оперативную память, т.е. в каждый момент времени состояние КЭШа и оперативной памяти идентично. Понятно, что здесь есть некий накладной расход, поскольку происходит частый сброс в ОП при записи информации в КЭШ. Но, поскольку, команд чтения по статистике больше, чем команд записи то эффект есть.