Архитектурные принципы построения ЗВМ. Классификация ЭВМ, процессоров. Особенности архитектуры IA-64 (стр. 2 )

МПП адрес соответствующей нанокоманды

 

256 нано горизонтальная микрокоманда

слов память

регистр нанокоманды

Содержимое нанопамяти – система нанокоманд (гориз. МК)

1., 2. Примерно как у смешанного

3. чуть медленнее чем смешанное

9.  Классификация способов адресации микрокоманд и их сравнительная оценка. Реализация переходов.

Адресное поле

Упр SEQ Упр MUX? Адрес МК

условий

Различают 2 способа адресации:

-  Естественная (min оборудования).

-  Принудительная (min время формирования адреса, оборудования max).

Естественная – формирование след адреса осуществляется с помощью счетчика. Безусловный переход от МК с адресом i осуществляется к МК с адресом i+1, адресное поле не нужно, что сокращает затраты на оборудование. Однако, при этом в микропрограмму вводят помимо операционных адресные МК, что усложняет дешифрирование и увеличивает длну микропрограмм.

Принудительная – в адресе МК указывается полноразрядный адрес.

В современной технике используются сразу оба способа. Используется SEQ внутрь которого спрятан счетчик

Адресное поле
Упр SEQ	адрес

Ветвление в МК программах

Последовательное выполнение МК может зависеть от к-либо признаков.

Адресное поле содержит правила формирования адреса след МК, управление подачей признака, правила формирования флага(комбинированные признаки)

NEXT

SKIP F 1 if F then WAIT else NEXT

If(F1, F2, ….Fn) then WAIT else ….

GOTO 0

CALL

RETURN

1 F

0 if F then SKIP else NEXT

 

Система адресации МК должна быть способна формулировать произвольное значение адреса за min время. В пределе такой же как на линейном участке МК программы. В двунаправленном ветвлении такое возможно, в трех – нет.

Естественная адресация

Безусловный переход

0/1	КМОП / Адрес перех

При этом если “1” – остальные устройства остаются без надзора, однако если можно переводить в режим NOP (ожидание)

то

1

…………..

- простой останов устройств

Двунаправленный переход

А

1 0

А+1 В à из адресного поля (принудительно).

Возникновение проблем – объединение двух способов адресации.

При большом направлении ветвления можно прибавить значение флага

RGMK

Адр. поле

 

Тип перех Адрес

ROM

А

МПП

F

10.Понятие прерывания программ. Типы прерываний. Характеристики, структуры систем прерываний и их сравнительная оценка.

Прерывание программы – это способность ЭВМ временно прекращать выполнение текущей программы при возникновении какого-либо события, вызывать программу обработки этого события, а затем возвращаться к выполнению прерванной программы.(понятия: прерываемая программа, прерывающая программа)

Типы прерываний

trap – внутренние прерывания или синхронные прерывания, или программные, или исключения (особые ситуации: деление на 0, переполнение), возникают всегда в одном месте.

interrupt – внешние или асинхронные прерывания, связаны с организацией в/в.

Характеристики:

1.  Общее кол-во запросов на прерывания

2.  Время реакции – tр время м/ду появлением запроса на прерывание и началом выполнения прерывающей программы

3.  Время обслуживания – равно суммарному расходу времени на запоминание и восстановление состояния программы

tобсл = tзап + tвосст

4.  Глубина прерывания – max число порграмм, которые могут прервать друг друга. Системы с большой глубиной прерываний обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы.

Pi программа Pi программа

запрос Р обраб

 

tp tзап tвосст

 

1.  система с нулевой глубиной прерывания

р		р		р		р
	Р1		Р2		Р3

Запрос

зп1 зп2 зп3

2.  с произвольной глубиной прерывания

Р						Р
	Р1				Р1
		Р2		Р2
			Р3

запрос

зп1 зп2 зп3

Структуры систем прерываний:

Структуры – способ передачи запроса в ЦП и способы идентификации источника.

1.С одной линией запроса

Структура предполагает программное распознавание источника; аппаратные запросы

– последовательный опрос RG S устройства. Адрес однозначно идентифицируется устройством, а RG S – определяет причину.

«-» – последовательный опрос (для большого количества устройств). Tпередачи вектора = Tопроса устройств

«+» – простота реализации

2. Структура с одной линией запроса и последовательной цепочкой сигналов подтверждения

По другому – цепочка переключений; более быстрая и аппаратно сложная.

Идентификация устройства осуществляется через вектор. Устройства восстанавливают запрос. Развивая цепь подтверждений. Как только устройство выдает запрос – оно разрывает цепь. Приоритет устанавливается порядком подключения устройств сигналом INT A.

Работа (устройство ЦП):

1. Формируется запрос INT A.

2. Формируется запрос INT A – устройство сформировавшее запрос, разрывает цепь

3. Устройство получает INT A: D : = VECT, C : = “VECT”

4. Чтение вектора INT A: = 0

5. Устройство получает INT A: = “0”: сбрасывается вектор, сбрасывается запрос и восстанавливается линия распространения сигнала INT A.

3. С индивидуальными линиями запроса.

4. Если много устройств, то объединяют второй и третий вариант.

Два варианта борьбы с зависание (для второго варианта):

1.  От последнего устройства подать запрос обратно

2.  Запуск TIME после запуска INT A.

11. Способы обнаружения запросов, распознавания причин прерывания и способы формирования начального адреса прерывающей программы.

ЗП

Распознавание причин прерываний источника

Внутренние: источник CPU – по КОП можно узнать причину

Внешние: устройство посылает запрос к CPU – вектор прерыванийоднозначно идентифицирует источник прерыв.

AB

CPU

DB

CB

 

устр вектор прерывания à таблица à адрес обработчика

Вектор – адрес, он передается по шине DB (не по АВ т. к. АВ однонаправленная), т. е. по вектору можно узнать источник

За каждым устройством закреплены 3 адреса (не в ОП)

-  в RGK – управление

-  в RG данных

-  в SRG

//Вектор прерывания – вектор начального состояния прерывающей программы. Он содержит всю необходимую инф-ию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому запросу прерывания соответствует свой вектор прерывания способный инизиировать выполнение соответствующей прерывающей программы. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейкаах памяти.

Главное место в организации перехода к прерывающей программе занимает передача из соответствующего регистра (ов) процессора в память (в стек) на сохранение текущего вектора состояния прерываемой программы и загрузка в регистр (ры) процессора вектора прерывания прерывающей программы, к которой при этом переходит управление процессором.

В простейшем случае вектор прерывания состоит из начального адресе прерывающей программы. Процедура организации перехода к прерывающей програме включает в себя выделение из выставленных запросов такого, который имеет наибольший приоритет.// (относится и к вопросу 12)

12. Методы определения допустимого момента прерывания и организация вхождения в прерывающую программу.

Организация вхождений (нужно решить 2 задачи):

1.  Какую программу прервать

А) перед. чтение следующей команды (после завершения текущей). Обработка на машинном и макропрограммном уровне.

Б) В процессе выполнения операции, но после завершения микрооперации. Обработка на микропрограммном уровне.

2.  Как выбрать программу обработки

Внутренние прерывания – можно обработать только на микропрограммном уровне

Внешние можно обработать как на микро, так и макро-уровне.

13.Способы возврата из прерываний.

Возврат зависит от того, на каком уровне обрабатывалось прерывание (INT).

-  На уровне команд. Тогда все просто: продолжить выполнение с первой невыполненной команды и восстановить содержимое всех программно доступных регистров

-  На уровне МК. Если реализовывать как предыдущее, то увеличивается кол-во инф-ии, которую надо записывать программно, RG не достаточно.

Способы возврата

1.  Возврат с перезапуском

INT

2.  С продолжением

INT

 

3.  С подавлением

Возврат с подавлением используется редко (не используется при обычных прерываниях) Если в программе пользователя есть привилегированные операции (например в машинах разделения времени – физ. I/O) то возврат с подавлением.

Intel – использует возврат с перезапуском;

Motorolla 68K – с подавлением.

В перезапуске есть одна тонкость – нужен спец анализ на вид прерывания: внешнее или внутреннее. Надо учитывать точку возврата. Если содержимое регистров не изменилось, то возврат с перезапуском возможен, если изменилось то нет.

При микро прерывании надо запомнить адрес новой МК (вых SEQ, МПП)

Если INT на уровне команд, то нужно запомнить

1.  указатель команд (IP)

2.  Длина команды (той кот была прервана) нужна, при «возврате с перезапуском», т. к. адрес след МК операции генерир. 1, 2 такта.

3.  Триггер работа-остановка (остановка – выполнение пустой программы)

4.  Маска прерывания

5.  Информация о распределении и защите памяти

Это все оформляется как слово состояния процессора (ССП, PSW). В начале прерывания запомним ССП, а обработчик запоминает всю остальную инф-ию, которая нужна.

1.1Если ССП запоминается в ОП, то в ячейке с фиксированными адресами.

VECT à адрес à CCП

àадрес обработчика

0……..0	V ect	- адрес, где ССП
0……..1	V ect	- адрес обработчика

1 байт

Недостаток: повторное прерывание от одного обработчика запрещено, т. к. ССП будет потеряно

2.1 Адреса обработчика и ССП не связаны между собой, ССП помещается в стек, vect à адрес обработчика

Достоинство: Может рассматриваться и повторное прерывание по одному и тому же вектору.

Запоминание PSW.

1.2 В ОП памяти. Для формирования адресов используется вектор прерывания.

Существует таблица PSW «старых» и «новых» программ.

Недостатки:

-  Нет возможности вложенных прерываний по одному вектору.

-  Неперемещаемость таблиц (можно исправить).

2.2 Использование стека.

3. СУПЕР ЭВМ.

К АЛУ подключен один из регистров, остальные находятся в режиме ожидания. В этих регистрах хранится вся информация, включая ССП.

Применяется в суперЭВМ.

Преимущества: скорость (время запоминания = время переключения м/ду регистрами), возможность вложенных прерываний

Недостатки: ограничение числа прерываний, большие аппаратные затраты

16 (8)

 

17.  Классификация, характеристики запоминающих устройств. Структура памяти ЭВМ.

Оперативная память (ОП) имеет многоуровневую организацию (иерархическую структуру).

Классификация:

1.  Физическая природа элементов, хранящих информацию. (Наиболее известные: полупроводники, магнитная поверхность, оптические.)

2.  По характеру участия в вычислительных процессах

-  внешние

-  основные

-  оперативные

-  сверхоперативные

3.  По способу доступа к единицам информации

-  с последовательным доступом (магнитная лента)

-  с прямым доступом (HDD)

-  с произвольным доступом

Сверх ОП как с произвольным так и с последовательным доступом.

4.  По способу поиска информации

-  адресные ЗУ

-  безадресные ЗУ (стек и ассоциативные ЗУ)

5.  По кратности записи информации

-  с перезаписью

-  без перезаписи

18. Способы организации оперативной памяти ЭВМ.

Организация ОП

I.  Многоблочная ОП

Можно делать память переменного объема

Можно выиграть на времени дешифрации адреса

II.  ОП с расслоением обращений

Идея: если есть блочная ОП, тогда можно заставить эти блоки работать параллельно. Механизм расслоения обращений реализуется через расслоение адресов.

III.  Многопортовая ОП

Нужна если есть многопроцессорная система. ОП должна иметь внутренние системы управления и арбитры.

19. Назначение, структурная организация КЭШ-памяти. Место КЭШа в структуре процессора.

Кэш – сверхоперативная память.

Пока элементная база медленной памяти будет значительно дешевле, чем быстрая, применение кэш-памяти будет экономически эффективно.

Устройство управления памятью (УУП, Memory Management Unit-MMU ) – занимается преобразованием виртуальных адресов в физические.

Вариант 1: Вариант 2:

VA – вирт. адр.

A – физ. адр.

Вар. 1. При переключении процессора с одной программы на другую нужно очистить кэш и заполнить нужными данными.

Вар. 2. В этой схеме кол-во удачных обращений 95% и меньше время обращения к кэшу, чем в первой.

Кэш повышает производительность, в нем хранится информация, которую процессор использует наиболее часто.

Различают:

1)  кэш команд

2)  кэш данных

3)  кэш команд и данных

4)  адресный кэш – СОЗУ, исп. для преобраз. VA в A.

Варианты: 1) внутрикристальный – первичный

2) внутриплатный – вторичный

На вероятность успешного обращения влияют:

1.  Алгоритм swapping’а (алгоритм записи из ЦП в кэш и в ОП).

2.  Алгоритм или стратегия замещения информации в кэше, процедура чтения информации из ОП в процессор и кэш.

Эффективное время обращения tэф = tпоиска. кэш.+P*t обр. к кэшу +(1-P)*t чт. ОП,

где P – вероятность удачного попадания.

Пример: tпоиска. кэш=5, P=0.95, t обр. к кэшу=10, t чт. ОП=70.

t = 70 – без кэша.

t = 18 – с кэшем.

Организация кэша:

ПО – признак опроса (в кэше)

Чтение из памяти производится блоками. В начальный момент кэш пуст, процессор выдает адрес команды, эта команда передается в ЦП и записывается в «слово 0», в слова 1,2,3 записываются последующие команды.

Вообще же при работе с данными, они выравниваются до размера блока (например 3-х байтные до 4-х.)

Варианты реализации:

1)  Делать в ОП RG адреса, который будет формировать блок из слов и передавать их в кэш, увеличивать блок, например до 8-ми слов – невыгодно.

2)  Кэш с прямым отображением

Промежуточный вариант м/ду кэшем с прямым доступом и кэшем с ассоциативной памятью – мнгогоклассовый кэш.

кэш с прямым доступом

21.  Организация, хранение, использование страничных таблиц. Стратегия замещения страниц.

Виртуальная память – разделение адресного пространства на два (СП+НДД)

Упрощенное представление:

адресное пространство – физическое адресное пространство;

- адресное пространство пользователя.

Требования:cvh

1.  Во внешней памяти достаточно места для всех программ.

2.  Соответствие виртуального и физического адресов ВАП-виртуальное адресное пространство.

Каждая строка табл.-дескриптор страницы, он задает соответствие между вирт. и физ. номером страницы.

Одним из вариантов распределения динамической памяти является виртуальная память.

При чисто страничной организации размер стр. одинаковый.

Чем меньше будет размер стр., тем больше размер табл. стр. При однопрограммном режиме в активных таблицах содержаться дескрипторы тех страниц, с которыми работает в данный момент ЦП. Дескрипторы полной и активной таблицы отличаются друг от друга битом присутствия дескриптора активной таблицы.

Стр. табл. должна однозначно соответствовать любой прогр. Виртуального адреса различных программ могут совпадать. Чтобы не снижать проиводительности, стр. табл. разбивается нкак быа 2 части(есть полная стр. табл. в ОП, есть копия части этой табл. – акт. часть стр. табл. в сверхОП).

Активная таблица хранит дескрипторы тех таблиц, с которыми работает ЦП. Дескриптор полной табл. отличается от дескриптора акт. табл. битом присутствия. Акт. табл. хранится в сверхОП.

Размер страниц – 4 кБ. Программа может быть выделено целое число страниц. Делать меньше страниц – плохо, растет размер табл. стр. и придется обновлять акт. табл в КЭШе. Больше – плохо, т. к. увеличится емкость неиспользованной ОП. В среднем теряется 0,5 стр. на программу(или на сегмент). Это фрагментация ОП. Устранить – сделать переменным размер стр. Размер стр. наращивать блоками.