Зависимость по данным. Например, при выполнении следующих операций

2. Зависимость по данным. Например, при выполнении следующих операций

сложить R1 R2 R3 (результат сложения R2 и R3 записывается в R1)

умножить R4 R1 R5

При выполнении ВО второй команды требуется элемент R1, который будет получен только при выполнении ЗР первой операции. Это невозможно. Решение:

1)         введение дополнительной пустой операции (приторможение конвейера)

2)         заранее выявить конфликт и изменить порядок команд

3. Конфликт по управлению.

Например, такой конфликт возникает при:

сложить R1 R2 R3 (результат сложения R2 и R3 записывается в R1)

условный переход Z

умножить R2 R3 R4

Решение:

1) вставить нейтральные команды («пузырь»),

2) спекулятивное выполнение,

3) предсказание перехода (если условие выполняется→переход к кэш-условию).

Мультипрограммирование

Особенность организации МП режима в том, что он реализуется в однопроцессорной машине. На рисунке представлена схема работы ЦП над двумя задачами одновременно.

Для работы ЦП по данной схеме используется принудительное переключение. Цикл активности – время непрерывного решения задачи ЦП-ом., которое лимитируется.

Аппаратные о программные средства для поддержания МП.

1.         Канал по обслуживанию периферийных устройств.

2.         ЦП должен иметь таймер.

3.         Система прерываний.

2 и 3 – механизмы переключения.

4. Диспетчер определяет порядок выполнения программы.

5. Память: внешняя (файловая система) и ОП.

При МП решаются задачи защиты и распределения памяти. Динамическое распределение памяти – это выделение памяти каждой программе по мере и в объемах ее необходимости.

Защита – это предотвращение влияния одной программы на другую через общую память.

Распределение памяти

Для распределения памяти используются таблицы массивов, содержащие следующие параметры: базовый адрес, длина. Первая строка таблицы описывает начальный адрес свободной области памяти. Память должна освобождаться в порядке, обратном ее заполнению. Обращение к памяти происходит по адресу B+адрес, указанный в программе. Для защиты необходимо выполнение следующего условия: Bi+ni<Ai*<=Bi, где Ai* - адрес при обращении к i-ому массиву.

Виртуальная память – это расширение ОП за счет дисковой памяти.

Ам – математический адрес (сформированный в ЦП)

Aф – физический адрес (сформированный при помощи таблиц перевода)

Аh – старшая часть, указывающая номер страницы

Al – младшая часть, указывающая ячейки внутри страницы.

Схема преобразования математического адреса в физический.

Sм – указатель на строку таблицы страниц (ТС)

Sф – физический адрес соответствующей страницы

ДП – диспетчер памяти

Метод защиты памяти

При страничной организации используется метод «ключ-замок». Ключ – это код, который ставится в соответствие программе. Замок - это код, который ставится в соответствие области памяти. При обращении к памяти происходит сравнение ключа с замком, и в случае совпадения разрешается доступ к памяти.

Сегментация памяти

Процессор при обработке программы взаимодействует с оперативной памятью ОП, которая представляется единым массивом однобайтных ячеек, обращение к которым происходит по их номерам (физическим адресам). Для обращения к памяти процессор предварительно помещает адрес ячейки в один из своих регистров. Шестнадцатиразрядный процессор не может хранить в своих регистрах двадцатиразрядный адрес. Поэтому в нем применена так называемая сегментация памяти, которая заключается в том, что истинный, физический адрес ячейки хранится в двух регистрах. Один из них - сегментный, он хранит адрес начала блока памяти, который и называется сегментом. Если к шестнадцати разрядам сегмента справа дописать четыре двоичных нуля (16+4=20), то получим физический адрес начала сегмента в ОЗУ. Второй регистр хранит величину смещения адреса требуемой ячейки от начала сегмента. Адрес ячейки памяти записывается в виде двойного слова (4 байта): <сегмент>:<смещение>. Сегмент всегда начинается с ячейки, номер которой заканчивается на 4 двоичных нуля. Минимальная длина сегмента 16 байтов (параграф). Максимальная длина определяется длиной регистра, хранящего смещение и равна 64 Кбайта. Пара регистров CS: IP определяют адрес следующей команды программы. Для адресации данных используются сегментные регистры DS и ES, а в качестве регистров, хранящих смещение, используются регистры общего назначения BX, SI, DI. Для работы с сегментом стека используют сегментный регистр SS и регистр BP.

Режимы формирования адреса

Режим R86 (реальный) используется при включении питания. Это BIOS – этап, на котором происходит конфигурирование, тестирование системы.

В защищенном режиме P86 происходит запуск Windows.

1.ЦП получает набор специальных управляющих регистров (трассировки и тестирования).

2.Он изменяет способ формирования адреса, при этом не используются коды команд, написанных для R86 (для их выполнения используется V86).

3.Обеспечивается МП режим работы (включены механизмы распределения и защиты памяти). V86 обеспечивает согласование режимов на уровне кодов команд.

Адресация памяти в P86 происходит следующим образом: ЦП формирует 32-разрядный адрес. Но этот адрес не физический. Формируется линейный, линейно-страничный адрес (страничная организация поверх линейной памяти)

В R86 сегментный регистр задает местонахождение базы. Старшие 13 разрядов этого сегмента – селектор – указатель номера строки в таблице дескрипторов. Существует 2 таблицы дескрипторов:

GDT (Global)-единственная, создается до работы в P86 (R86), общая для всех решаемых программ,

LDT (Local).

Каждая программа может иметь свою собственную DT, которая описывает структуру памяти и используется только данной программой. Переключение GDT на LDT выполняется следующим битом сегментного регистра. Местонахождение GDT задается специальным регистром GDTR. RPL (младшие 2 разряда сегмента) – указатель, используемый для допуска к соответствующей области памяти (ключ). Дескриптор – это код, описывающий некоторую область памяти (и других информационных структур: шлюзов, задач). Дескриптор состоит из:

1)         32-разрядной базы (адрес сегмента, сегмент может начинаться с любого байта)

2)         границы (20 разрядов)

3)         DPL (2 разряда) – замка, который используется для защиты сегмента

4)         Внутри дескрипторов есть поле некоторых признаков (10), которые указывают, что именно описывает дескриптор:

а) признак гранулярности: размер сегмента может быть задан либо в байтах, либо в страницах.

б) тип (назначение): сегмент кода, данных, принадлежности ОС или пользовательской программе.

в) доступность: по границе (база <= линейного адреса< границы); DPL – имеет 4 кольца защиты, информация о программе должна относиться к определенному уровню защиты, меньший номер имеет большую защищенность. Для осуществления доступа к памяти необходимо выполнение следующего условия: max(RPL,CPL)<=DPL, где RPL- текущий уровень защиты, CPL – RPL сегментного регистра CS.

Чтобы контролируемо обойти ограничения, накладываемые системой защитой памяти, используются шлюзы. Например, шлюз задач позволяет вызвать задачу с более высоким приоритетом.

Для обеспечения защиты памяти и правильного обращения к ней используется TTS (таблица состояния процесса). Это регистр обращения (страница размером 4096 байт, в которой отображается текущее состояние регистров процессора), бинарная таблица в/в, в которой каждый бит ассоциирован с некоторым регистром (портом в/в). Если установлена 1, то порт для данной программы закрыт. Таким образом, осуществляется контроль за обращением к памяти и портом.

Организация материнской платы (i8086)

AEN – указывает, кто хозяин шины (ЦП или контроллер)

КСШ – контроллер системной шины

Слоты – преобразуют сигналы ISA в сигналы шины Centronics

КПР – контроллер прерываний

КПДП – контроллер прямого доступа в память

COM – порт, осуществляющий обмен по интерфейсу RS232C скоростью до 115-200 Кбит/сек (модемы).

LPT – разъем для принтера.

PS/2 – разъем для мыши и клавиатуры

Общее адресное пространство: 20 Мбайт (640 байт - ОП, ост.- BIOS, память монитора и т.д.)

Системный интерфейс: собирает все компоненты в единое целое.

Интерфейс ПУ поддерживает стандарт EISA, который позволяет подключаться к 16-ти и 32-ти машинам.

Шина расширения: сегодня используются шины PCI – это 32 или 64-разрядная шина с тактовой частотой – 33МГц. Адресное пространство указывает производителей, настройки шины и режим обмена, тип устройства, младшие порты, которые определяются пользователем. Данная шина поддерживает режим plug&play, то есть система может сама себя конфигурировать. Используется режим пакетного обмена, что повышает скорость обмена.

Логическая схема системной платы

AGP – упрощенный вариант PCI.

IDE – контроллер, преобразующий сигналы шины PCI в сигналы дисковых устройств.

CMOS – энергонезависимая память, хранящая параметры настройки, системные часы, питается от литиевого аккумулятора.

BIOS – базовая система в/в

EISA – интерфейс внутренней шины x-bus.

Быстродействие различных компонентов компьютера (ЦП, ОП и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер ОП (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

К северному мосту подключается шина PCI, которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Контроллеры периферийных устройств (звуковая карта, сетевая карта, модемы) устанавливаются в слоты расширения системной платы. Для подключения видеокарты используется специальная шина AGP.Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина).

К кристаллу супер в/в подключается принтер через параллельный порт LPT, клавиатура, мышь с помощью порта PS/2, модем через COM-порт.

Многопроцессорные вычислительные системы

По организации информационно-логического взаимодействия (потокам) выделяют системы, действующие по схеме:

1)         «ОКОД» - один поток команд, один поток данных – используют для выполнения команд с двумя операндами и одним результатам (скалярный процессор)

2)         «ОКМД» - одна команда, много данных: одна команда поступает сразу в несколько ЦП, но каждый работает со своими данными (векторный, или матричный, процессор)

3)         «МКОД» - много команд, одни данные: в каждый момент времени в каждый процессор поступает своя команда. Такие системы используются при обработке звука и изображения.

4)         «МКМД» - много команд, много данных.

По функциональному значению различают:

1)         сети: машины обмениваются файлами через каналы связи (больше ничего общего не имеют);

2)         вычислительные комплексы (кластерные системы) – несколько машин, каждая из которых работает по своей ОС, но обмен информацией происходит через общую внешнюю или ОП. Плюс такой системы – обеспечение надежности и высокой готовности.

3)         Параллельные системы (ОКМД)