Самодел 2 (1114717), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

С труктура организации центрального процессора:

УУ – устройство управления

АЛУ – арифметико-логическое устройство

Регистровая память – совокупность ячеек памяти на ЦП.

Регистровая память (регистровый файл) делится на:

• Регистры общего назначения (РОН)

предназначены для хранения операндов, результатов выполнения команд; непосредственно используются программой.

• Регистры специального назначения

используются для автоматического контроля действий частей компьютера, обычно в них записываются результаты выполнения операции.

1. счетчик команд (program counter)

2. указатель стека (stack pointer)

3. слово состояние процессора (processor status word)

4. .........................

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.

Рабочий цикл процессора:

К оманда выбирается из ОЗУ соответственно значению счетчика команд, значение счетчика при этом увеличивается на единицу. ЦП анализирует код операции, после чего направляет ее на АЛУ или УУ. Если это логическая/арифметическая операция, то сначала вычисляются адреса и значения операндов. После выполнения команды цикл повторяется. Если это передача управления, то происходит анализ условия перехода. В случае выполнения условия вычисляется новое значение счетчика команд. Далее цикл снова повторяется.

Кэш-память (cache memory) первого уровня (L1) -

память определенного размера (меньше ОЗУ), расположенная в ЦП. Кэш разделяется на блоки, в каждом из которых может быть содержимое ячеек памяти.

1. Обмен данными между КЭШем и оперативной памятью осуществляется блоками фиксированного размера.

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

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

4. При возникновении промаха происходит обновление содержимого КЭШа - вытеснение. Стратегии вытеснения:

   • случайная;

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

5. Вытеснение КЭШ’а данных:

• сквозное кэширование (write-through caching)

• кэширование с обратной связью (write-back cache) - тег модификации (dirty bit)

Чтение осуществляется блоками, запись – и блоками, и словами.

В развитых машинах используются кэш данных и кэш команд.

При использовании кэш памяти:

• сокращается количество обращений к ОЗУ.

• существенно увеличивается скорость доступа к памяти в случае использования ОЗУ с «расслоением», т.к. обмены блоков с памятью будут проходить, практически параллельно.

Очевидно, что любая система работает со скоростью самого медленного компонента в ней. Компьютеру неизбежно приходится часто обращаться к ОЗУ, поэтому обмен данными занимает много времени. Использование КЭШа значительно уменьшает время этих обращений, т.к. ЦП прежде всего обращается к нему, а работа с КЭШем быстрее работы напрямую с ОЗУ.

Аппарат прерываний

Прерывание - событие в компьютере, при возникновении которого в процессоре происходит предопределенная последовательность действий. Эти действия, вообще говоря, автоматические, без участия программы.

Прерывания бывают:

• внутренние - инициируются схемами контроля работы процессора

(такие как деление на нуль, арифметическое переполнение и пр.)

• внешние - события, возникающие в компьютере в результате взаимодействия центрального процессора с внешними устройствами.

(нажатие клавиши клавиатуры и пр.)

Схема обработки прерываний одинакова и состоит из двух этапов:

• Этап аппаратной обработки прерываний

Происходит завершение текущей команды так, чтобы можно было продолжить прерванную программу с того же места. Блокируются новые прерывания, чтобы не перекрыть сохраненное. Происходит сохранение актуального состояния процессора (сохранение некоторых регистров и пр.)

Вообще говоря, блокировка – плохая вещь. Бывают схемы, где к этому не прибегают.

• П рограммный этап обработки прерываний

Пример «короткого» прерывания – прерывание по таймеру.

Фатальное – аппаратный сбой ОЗУ. Дальнейшее выполнение программы невозможно.

Не «короткое», но и не фатальное – может быть запрос на обмен (так же, как и в первом случае, но долго по времени).

Модель организации прерываний с использованием «регистра прерываний»

Модель организации прерываний с использованием «вектора прерываний»

P SW:

Модель организации прерываний с использованием регистра «слово состояние процессора»

Поле кода прерывания

В нешние устройства

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

(Энерго(не)зависимые устройства хранения данных)

Обмен данными:

• записями фиксированного размера – блоками (например, магнитные диски)

размер блока – характеристика, определяемая устройством.

• записями произвольного размера

Доступ к данным:

• операции чтения и записи (жесткий диск, CDRW).

• только операции чтения (CDROM, DVDROM, …).

Последовательного доступа:

для чтения i-ой записи мы должны просмотреть все предыдущие записи.

(например, магнитная лента)

Прямого доступа:

для чтения i-ой записи не требуется чтение всех предыдущих записей.

(к таковым относятся магнитные диски, магнитный барабан, магнитно-электронные ВЗУ прямого доступа)

Магнитная лента

Магнитная лента представляет собой ленту с последовательностью одинаковых участков, каждый из которых может быть намагничен или нет, что соответствует значению бита - 1 или 0. Таким образом, мы получаем последовательность битов.

Магнитная лента имеет маркеры своих начала и конца, маркеры начал и концов каждой записи, по которым мы и ориентируемся при чтении.

Конечно, устройство магнитных лент неэффективно, но просто, поэтому используется для хранения больших объемов информации, например, резервных копий данных.

Магнитные диски

Каждое устройство характеризуется фиксированным числом цилиндров. Дорожки, относящиеся к одному цилиндру, также пронумерованы. Дорожки образуют концентрические окружности. Все дорожки разделены на сектора. Начала одноименных секторов лежат в одной плоскости. Для задания координат определенного сектора в управляющее устройство необходимо передать:

• н омер цилиндра, где расположен сектор

• номер дорожки, на которой находится сектор

• номер сектора

В магнитном диске может быть несколько дисков, на каждом из них одна или две стороны – рабочие. Для каждой стороны есть своя читающая головка. Читающая головка может перемещаться от края к центру и обратно, а диски крутиться.

Магнитный барабан

П редставляет собой большой цилиндр длиной до метра, в диаметре 30 – 40 см. Поверхность покрыта особым веществом, над поверхностью штанга с головками над треками. Сам барабан вращается. Скорость доступа достаточно большая.

Используется в больших вычислительных комплексах.

Магнитно-электронные ВЗУ прямого доступа

В качестве единицы намагничивания используются домены – диполи, ориентированные либо в одну, либо в другую сторону по линиям окружностей поперечного сечения цилиндра. Над барабаном установлен ряд головок, по одной на трек. Сам барабан не вращается, движутся магнитные домены за счет электромагнитного эффекта.

Устройства такого рода одни из самых быстрых, используются в экзотических устройствах (например, на Шатлах).

Организация потоков данных при обмене с внешними устройствами

Обмен данными может происходить через центральный процессор:

Н апример, при чтении и получении данных из внешнего устройства они попадают на специальные регистры процессора и далее в память.

Обмен с использованием прямого доступа к памяти (direct memory access – DMA).

D MA контроллер позволяет не занимать процессор при обмене денными. В то время, как он управляет обменом, процессор может обслуживать другой процесс или часть программы, не требующей сиюминутного обмена. Если обмен должен производиться, например, только между внешними устройствами, то ОЗУ и процессор вообще не будут задействоваться. Когда обмен подходит к концу, процессор выполняет дополнительную работу.

Такая организация обмена сильно облегчила жизнь.

Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами

С инхронная организация обмена означает, что если есть программа, которая обращается к устройству для обмена, то программа прерывается до полного обмена данными.

При асинхронной организации появляются точки синхронизации. Это возможно благодаря особому прерыванию. У программ появляется возможность работать одновременно с обменом.

Однако бывают случаи, когда программу всё же придется прервать до окончания обмена, тогда асинхронная организация обмена выгоды не дает, а наоборот может всё притормозить, потому что тогда уже получается два потока данных:

Поток управляющей информации (обработки прерываний и пр.)

Поток содержательных данных

Организация управления внешними устройствами

Модели:

П ростая модель, но медленная и неэффективная в использовании.

Характеристики

Список файлов лекций