Принцип локальности обращения.

Маскирование прерываний.

Прерывание – это инициируемый определенным образом процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возобновлением выполнения прерванной программы. Прерывания могут быть внешними и внутренними. Внешние прерывания вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями. Внутренние прерывания возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса. Внешние прерывания делятся на:*маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний(сбросом флага IF в регистре флагов. IF (Interrupt Flag) – флаг прерывания. Предназначен для так называемого маскирования (запрещения) аппаратных прерываний, то есть прерываний по входу INTR. На обработку прерываний остальных типов флаг IF влияния не оказывает. Если IF=1, микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если IF = 0, микропроцессор игнорирует сигналы на входе INTR) *немаскируемые — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания.

Билет №18

1Методы совмещения операций – методы, при которых в любой момент времени выполняется одновременно более одной базовой операции. Эти методы включают два понятия: параллелизм и конвейеризацию. Хотя у них много общего, эти термины отражают два совершенно различных подхода. При параллелизме совмещение операций достигается путем воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры. Высокая производительность достигается за счет одновременной работы всех элементов структур, осуществляющих решение различных частей задачи.

Конвейеризация (конвейерная обработка) основана на разделении функции на более мелкие части (ступени) и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры. Обработку любой машинной команды можно разделить на этапы, организовав передачу данных от одного этапа к следующему. Конвейеризацию можно использовать для совмещения этапов выполнения разных команд. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько команд. Конвейеризация широко применяется во всех современных процессорах.

Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды, а увеличивает из-за накладных расходов, связанных с управлением регистровыми станциями. Увеличение пропускной способности означает, что программа будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной схемой.

Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых команд и операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если произойдет задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. Такие задержки могут возникать в результате возникновения конфликтных ситуаций.

2. В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью, с другой стороны, с устройствами ввода/вывода. Механизмом взаимодействия является центральная шина, к которой подсоединяются все подсистемы. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность.

Недостатком организации с единственной шиной является то, что шина ограничивает пропускную способность ввода/вывода.

Максимальная скорость шины ограничивается ее длиной и количеством подсоединяемых устройств.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода имеют большую протяженность, поддерживают соединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память сравнительно короткие, высокоскоростные и стремятся обеспечить максимальную пропускную способность канала память-процессор.

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы.

Рассмотрим типичную операцию (транзакцию) на шине. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных. Шинные транзакции обычно определяются характером взаимодействия с памятью: транзакция типа «Чтение» передает данные из памяти (либо в процессор, либо в устройство ввода/вывода) (рис. 6.1), транзакция типа «Запись» записывает данные в память (рис. 6.2.).

В транзакции типа «Чтение» по шине сначала посылается в память адрес вместе с соответствующими сигналами управления, индицирующими чтение. Память отвечает, возвращая на шину данные с соответствующими сигналами управления. Транзакция типа «Запись» требует, чтобы процессор или устройство ввода/вывода послало в память адрес и данные, и не ожидает возврата данных. Обычно ЦП вынужден простаивать во время интервала между посылкой адреса и получением данных при выполнении чтения, но часто он не ожидает завершения операции при записи данных в память.

Главное устройство шины – это устройство, которое может инициировать операции чтения или записи. Процессор, например, всегда является главным устройством шины. Шина имеет несколько главных устройств, если имеется несколько центральных процессоров или когда устройства ввода/вывода могут инициировать транзакции на шине. Приоритетность управляющих устройств основано на системе прерываний.

Шина бывает синхронной и асинхронной. Если шина синхронная, то по линиям управления шины передаются сигналы синхронизации. Все на шине должно происходить с одной и той же частотой синхронизации, поэтому из-за проблемы перекоса синхросигналов, синхронные шины не могут быть длинными. Обычно шины процессор-память синхронные.

В асинхронной шине используется старт-стопный режим передачи. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.

Установка оперативной памятиВ большинстве ПК с системными платами для процессора 386 или 486 используются 30-контактные разъемы SIMM, а раннее поколение системных плат для Pentium обладает уже 72-контактными SIMM. Модули DIMM имеют 168 контактов. Они применяются в последних системах PentuimII и Pentium III. Модули DIMM можно добавлять по одному, а 72-контактные модули SIMM нужно устанавливать обязательно парами (так называемыми банками), составленными из модулей равного объема. В некоторых системных платах необходимо заполнять разъемы особым образом – в первый банк вставляется пара модулей большего объема.

Одни модули ОЗУ содержат дополнительную микросхему для проверки ошибок или контроля четности, другие нет. Совмещать их нельзя.

Первые модули SIMM и DIMM имели позолоченные контакты (разъемы для ОЗУ на системной плате были с тем же покрытием). Позднее стали применять менее дорогое олово, и контакты приобрели серебристый цвет. Не рекомендуется вставлять модули с позолоченными контактами в разъемы, покрытые оловом, и наоборот – примерно через год слой окисления может вырасти настолько, что приведет к сбоям в работе памяти.

Билет №19

1виртуальной памяти позволила решить целый ряд актуальных вопросов организации вычислений. Прежде всего, к числу таких вопросов относится обеспечение надежного функционирования мультипрограммных систем.

В любой момент времени компьютер выполняет множество процессов или задач, каждая из которых располагает своим адресным пространством. Необходим механизм разделения небольшой физической памяти между различными задачами. Виртуальная память делит физическую память на блоки и распределяет их между различными задачами. При этом она предусматривает также некоторую схему защиты, которая ограничивает задачу теми блоками, которые ей принадлежат. Большинство типов виртуальной памяти сокращают также время начального запуска программы на процессоре, поскольку не весь программный код и данные требуются ей в физической памяти, чтобы начать выполнение.

Другой вопрос, тесно связанный с реализацией концепции виртуальной памяти, касается организации вычислений на компьютере задач очень большого объема. Если программа становилась слишком большой для физической памяти, часть ее необходимо было хранить во внешней памяти (на диске) и задача приспособить ее для решения на компьютере ложилась на программиста. Виртуальная память освободила программистов от этого бремени. Она автоматически управляет двумя уровнями иерархии памяти: основной памятью и внешней (дисковой) памятью.

Кроме того, виртуальная память упрощает также загрузку программ, обеспечивая механизм автоматического перемещения программ, позволяющий выполнять одну и ту же программу в произвольном месте физической памяти.

Системы виртуальной памяти можно разделить на два класса: системы с фиксированным размером блоков, называемых страницами, и системы с переменным размером блоков, называемых сегментами.

2истрория ЭВМ. 1ое поколение ЭВМ (1948 — 1958гг.) Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ,, М-1, М-2, М-З.Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами.

2ое поколение ЭВМ (1959 — 1967 гг.) Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Увеличилась емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны; Урал -11, -14, -16 – ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

3е поколение ЭВМ (1968 — 1973 гг.) Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники. Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ серии АСВТ М-6000 и М-7000. Разрабатываются и выпускаются настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах М-180, «Электроника -79.Характерной чертой данного периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем.

4ое и 5ое поколения ЭВМ (1974 — настоящее время) Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, «Электроника МС 0501», «Электроника-85», «Эльбрус». «Эльбрус-1».

3. аппаратные и программные средства реализации прерываний. Микропроцессоры Intel имеют два режима работы – реальный и защищенный. В этих режимах обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.

Рассмотрим обработку прерываний в реальном режиме.

В общем случае система прерываний – это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний.

К аппаратным средствам системы прерываний относятся

– выводы микропроцессора

INTR – вывод для входного сигнала внешнего прерывания. На этот вход поступает выходной сигнал от микросхемы контроллера прерываний 8259А;

INTA – вывод микропроцессора для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором. Этот выходной сигнал поступает на одноименный вход INTA микросхемы контроллера прерываний 8259А;

NMI – вывод микропроцессора для входного сигнала немаскируемого прерывания;

– микросхема программируемого контроллера прерываний 8259А. Она предназначена для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств: таймера, клавиатуры, магнитных дисков и т. д. Обычно используют две последовательно соединенные микросхемы 8259A. В результате такого соединения количество возможных источников внешних прерываний возрастает до 15.

К программным средствам системы прерываний реального режима относятся:

– таблица векторов прерываний, в которой в определенном формате, зависящем от режима работы микропроцессора, содержатся указатели на процедуры обработки соответствующих прерываний;

– следующие флаги в регистре флагов flags\eflags:

IF (Interrupt Flag) – флаг прерывания. Предназначен для так называемого маскирования (запрещения) аппаратных прерываний, то есть прерываний по входу INTR. На обработку прерываний остальных типов флаг IF влияния не оказывает. Если IF=1, микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если IF = 0, микропроцессор игнорирует сигналы на входе INTR;

TF (Trace Flag) - флаг трассировки. Единичное состояние флага TF переводит микропроцессор в режим покомандной работы. В режиме покомандной работы после выполнения каждой машинной команды в микропроцессоре генерируется внутреннее прерывание с номером 1, и далее следуют действия в соответствии с алгоритмом обработки данного прерывания;

– машинные команды микропроцессора: int, into, iret, cli, sti ().

Микросхема контроллера прерываний выполняет следующие функции:

– фиксирование запросов на обработку прерывания от восьми источников, формирование единого запроса на прерывание и подача его на вход INTR микропроцессора;

– формирование номера вектора прерывания и выдача его на шину данных;

– организация приоритетной обработки прерываний;

– запрещение (маскирование) прерываний с определенными номерами.

Важным свойством данного контроллера является возможность его программирования, что позволяет достаточно гибко изменять алгоритмы обработки аппаратных прерываний.

 

Билет №20