02-computer-systems-continuation

Тема 2: Компютърни системи. (продължение)

Съдържание

1. Какво се случва в процесора? (преговор от миналата лекция)
2. Видове регистри на процесора
3. Управление на IO устройства
4. Прекъсвания (Interrupts)

---

1. Какво се случва в процесора? (преговор от миналата лекция)

Фиг. 2.1.1.: Структура на централния процесор

• ALU - Аритметико-логическия блок (Arithmetic Logic Unit)

  • Използва се за извършване на аритметични операции и логически операции – събиране, изваждане, умножение, деление и сравняване на две числа.
  • Обработва данните от регистрите на процесора.
  • От него зависи скоростта на изчислителния процес.
  • Изграден е от логически елементи - OR, NOR, AND, NAND, XOR, NOT, т.н. (които логически елементи са изградени от транзистори)

• Регистри (Registers)

  • Те са най-бързата памет в една компютърна система
  • Използват се при изчисленията на от аритметико-логическия блок
  • Разделят на 2 вида:
    • Регистри с общо предназначение.
    • Контролни регистри.
    • Виж следващата точка за повече информация.

• Кеш памет (Cache Memory)

  • Малка, но доста бърза памет.

  • Използва се за да се запазят данните, които са използвани най-често при изпълнение на инструкции от процесора, за да се ускори достъпа до тях

  • Това се налага, защото извличането на данни от RAM паметта е скъпа операция (т.е. става доста бавно), в срaвнение от това да се извика от кеш паметта.

  • Kеш паметта бива на няколко нива L(evel)1, L2 и L3 (L3 от 2003 година, с Pentium 4 Extreme Edition)

  • L1 кеш

    • Директно комуникира с регистрите.
    • Разделя на 2 части
      • L1D (Data) - за съхраняване на стойности като числа, адреси, т.н., които са използвани най-често.
      • L1I (Instruction) - за съхранение на инструкциите, които са използвани най-често.
      • L1I минава през процес на извличане и декодиране на самите инструкции.
      • Типичният размер на L1 кеша е от 16KB до 1MB.

  • L2 и L3 кеш

    • Те представляват медиаторите между L1 и RAM паметта.
    • По-бавни са от L1, но са в пъти по-бързи от RAM паметта.
    • По-големи са от L1 - с размери от 256KB до 64MB.

2. Видове регистри на процесора

Процесорните регистри се разделят на два типа:

• Регистри с общо предназначение

  • Достъпни са за всички програми.

  • Могат да се адресират като се използва езика Assembly

    Пример:

    MOV AX, 42

    MOV е кратък код за инструкцията за "преместване". Използва се за копиране на данни от едно място на друго. AX е регистър. , е разделител, а 42 е константа, която се премества в регистъра AX.

  • Има два подтипа регистри с общо предназначение:

    • Регистри за данни:
      • Използват се за променливи.
    • Адресни регистри:
      • Използват се за реализация на различни схеми за адресация.
      • Използват се за индексанция и указатели.

• Контролни регистри

  • Използват се от процесора за да контролират работата му.
  • Използват се от операционната система за да контролират изпълнението на приложните програми.
  • Не са достъпни директно от потребителските програми.
  • Примери за контролни регистри са:
    • Програмен брояч (Program Counter – PC)
      • Съдържа адреса на следващата инструкция, която трябва да бъде извлечена.
    • Регистър за инструкция (Instruction Register – IR)
      • Съдържа последната извлечена от паметта инструкция.
    • Регистър на състоянието (Program Status Word – PSW)
      • Резултат от сравнения.
      • Разрешаване и забрана на прекъсванията (виж т. 2.4.)
      • Потребителски режим и защитен режим на процесора

3. Управление на IO устройства

В последната точка се споменава, че регистърът за състоянието се използва "разрешаване и забрана на прекъсванията". Но какво всъщност представляват прекъсванията?

• Има няколко начина за управление на входно/изходните устройства от процесора:

  • Синхронно изпълнение на входно/изходните операции (Programmed IO)

    • Нарича се синхронно, защото операционната система не прави нищо друго, освен да чака, докато не получи сигнал, че работата е свършила.

    • Oперационната система непрекъснато проверява дали IO устройството е свършило определена задача.

    • Влиза се в безкраен цикъл, на изпращане на заявки към устройството, дали е свършило работата. Този цикъл едва ще приключи чак когато чак когато устройството си свърши работата.

    • Тогава то дава резултата в буфер, който операционната система прехвърля в оперативната памет.

      

      Фиг. 2.3.1.: Синхронно изпълнение на входно/изходните операции (Programmed IO)

  • Асинхронно изпълнение на входно/изходните операции (Interrupt-Driven IO)

    • Процесорът се обръща към контролера на входно/изходното устройство и подава заявка за извършване на операцията.

    • След подаване на заявката, процесорът е свободен да се занимава с други задачи.

    • Когато изпълнението на операцията завърши, контролерът на входно/изходното устройство прекъсва работата на процесора.

    • Процесорът трябва да прехвърли данните от буферите на контролера в оперативната памет или регистрите си.

      

      Фиг. 2.3.2.: Асинхронно изпълнение на входно/изходните операции (Interrupt-Driven IO)

  • Пряк достъп до паметта (Direct Memory Access)

    • Прекият достъп до паметта съществено подобрява скоростта на трансфер на данни между входно/изходните устройства и оперативната памет.

    • Типично прекият достъп до паметта (DMA) се използва от бързи входно изходни устройства – твърди дискове, мрежови контролери и т.н.

    • Контролерът на устройството прехвърля блок от данни директно в/от оперативната памет без намеса на централния процесор.

    • Генерира се само едно прекъсване за целия блок от данни.

      

      Фиг. 2.3.3.: Пряк достъп до паметта (Direct Memory Access)

4. Прекъсвания (Interrupts)

• Както видяхме при асинхронното обработване на IO операции, нормалната работа на процесора може да бъде прекъсната от прекъсвания (Interrupt).

• Обработка на прекъсванията

  • Прекъсват нормалната последователност на изпълнение на команди от процесора (от там идва и името им).

  • Когато се появи прекъсване, процесорът преминава в защитен режим на работа.

  • Прекъсването на настоящата задача на процесора става по такъв начин, че да е възможно възстановяване на нейната обработка след обработката на прекъсването, т.е. запазва състоянието на процесора като запазва регистрите, програмния брояч и т.н.

  • След това трябва да се реши дали ще се обработи това прекъсване:

    • ако не, процесорът се връща в състоянието си преди прекъсването.
    • ако да, първо запазва състоянието си на работа в момента и след това обработва прекъсването, т.е. изпълнява конкретна функция в зависимост от вида на прекъсването.

  • За всеки тип прекъсване има Interrupt handler. Прекъсванията се пазят в приоритетна опашка. Interrupt handler се пази в оперативната памет.

  • Прекъсване не може да прекъсне обработката на друго прекъсване.

• Видове прекъсвания

  • Софтуерни прекъсвания (trap):
    • препълване при аритметични операции
    • делене на нула
    • изпълнение на неправилна инструкция
    • опит за достъп до защитена част от паметта
  • Прекъсвания от таймера.
  • Прекъсвания от входно/изходните устройства.
  • Прекъсвания предизвикани от повреди в хардуера.

• Обработка на много прекъсвания

  • Става последователно, като може да е в реда на постъпване на прекъсванията или по приоритет на прекъсванията.