Архітектура комп'ютерів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Технологічний інститут

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк)

Факультет комп'ютерних технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Контрольна робота

з дисципліни «Архітектура комп'ютерів»

Варіант 12

Група Студент

_________________________

(особистий підпис)

Робота здана на перевірку

________________________

(дата здачі)

2014/2015 навч.рік



Питання

4. Основні функції і основні підсистеми обчислювальної системи.

13. Роль кеш-пам'яті в ієрархії підсистеми пам'яті.

21. Як визначити ефективний цикл звернення в оперативну пам'ять за наявності кеш-пам'яті з трьома рівнями?

39. Основні особливості відеоданих. Матричне і графічне представлення відеоінформації.

47. Способи адресації даних в оперативній пам'яті.

56. Адресація периферійних пристроїв.

58. Введення-вивід по перериваннях.

63. Що таке файл? Відмінності між файлом і каталогом.

66. Основні фази виконання команд в процесорі.

82. Структура комп'ютера з процесором, що має вбудований контроллер оперативної пам'яті.



Відповіді

комп`ютер процесор відеодані

№ 4

Основні функції і основні підсистеми обчислювальної системи

Будь яка обчислювальна система (ОС), навіть, на перший погляд, найпростіша, являє собою складну систему, що складається з сотень тисяч або мільйонів найпростіших електронних компонентів. Єдиний спосіб описати функціонування і структуру подібного роду складних систем - виконати її ієрархічну декомпозицію. Будь-яку ієрархічну систему можна представити у вигляді обмеженого безлічі взаємодіючих підсистем, кожна з яких несе певну функціональне навантаження і в свою чергу може мати ієрархічну структуру. Ієрархічна декомпозиція може бути поширена на досить велику глибину, наприклад, щодо ВС - аж до рівня окремих логічних комбінаційних схем.

Усвідомлення ієрархічної природи складної системи дуже істотно як з точки зору її опису (аналізу), так і з точки зору проектування (синтезу) такої системи. На певному етапі проектування розробник, як правило, має справу з будь-яким одним рівнем ієрархії. Опис функцій кожного рівня виконується в термінах абстрактних функцій компонентів цього рівня, якими є елементи наступного, більш низького в ієрархії рівня. При проектуванні підсистеми будь-якого рівня для розробника найбільший інтерес представляють її (підсистеми) структура і розподіл функцій між компонентами.

  Структура - це спосіб об'єднання компонентів підсистеми в єдине ціле, а функції - операції, що виконуються кожним компонентом у процесі реалізації функції, призначеної всій підсистемі.

При вирішенні проблеми аналізу складної системи (її опису) можна застосувати один з двох альтернативних підходів: почати з опису функцій елементів найнижчого рівня і далі підніматися по рівнях ієрархії все вище і вище (висхідний підхід, або підхід "знизу-вгору") або розглянути систему в цілому і спробувати відшукати в ній підсистеми, відносно незалежні в сенсі виконуваних функцій (спадний підхід, або підхід "зверху-вниз"). Далі такого ж роду декомпозиція застосовується до виділених підсистем і т.д. Практика аналізу різного роду великих систем показала, що спадний підхід володіє безперечними перевагами в сенсі ясності та ефективності аналізу.

Цьому підходу ми і будемо слідувати в нашому курсі. Опис ОС почнемо з головних її компонентів, розглянемо їх структуру та функції, а потім пе¬рейдем на наступний рівень ієрархії і почнемо розглядати структуру і функції складових елементів цих головних компонентів.

Функції ОС. У найзагальнішому сенсі таких функцій всього чотири:

* обробка даних;

* зберігання даних;

* переміщення даних;

* управління.

ОС, природно, в першу чергу зобов'язана обробляти дані, які можуть приймати самі різні форми, а діапазон виконуваних операцій по їх обробці також може бути дуже широкий. Проте, як буде показано нижче, все розмаїття операцій може бути зведене до небагатьох базовим типам або методам обробки.

Істотне місце займає і функція зберігання даних. Навіть якщо ОС обробляє дані на ходу, тобто по мірі їх надходження з операційного середовища, причому результат також негайно відправляється одержувачу, ОС повинна мати здатність, хоча б тимчасово, зберігати промежу¬точние результати і фрагменти даних, які обробляються в поточний момент часу. Таким чином, ОС повинна виконувати функцію зберігання даних хоча б і на короткий час. Але в більшості випадків цього недостатньо. Від ОС найчастіше потрібне виконання функції долговремен¬ного зберігання файлів даних, які можуть оброблятися або оновлюватися в міру необхідності.

ВС повинна також мати здатність переміщати дані, прі¬чем в обидві сторони, тобто отримувати первинні дані з операційного середовища і відправляти результати обробки зовнішнім абонентам. Середовище, в якому "живе" ОС, складається з пристроїв, що грають небудь роль джерел даних, або роль приймачів інформації. Процес переміщення даних між ОС і операційним середовищем прийнято називати процесом введення-виведення, а пристрої, що входять до складу операційного середовища, - периферійними пристроями. Коли дані передаються на велику відстань, тобто виконується обмін даними з віддаленими пристроями, цей процес прийнято називати передачею даних.

І, нарешті, всі ці три функції повинні виконуватися в певній по-послідовності, тобто від ОС потрібно ще і виконання функції управління. У кінцевому рахунку, функція управління, в основному, лягає на плечі того, хто постачає ОС послідовністю команд - програми. У самій же ОС функція управління зводиться до розподілу ресурсів і "диригування" виконанням інших функцій у процесі виконання команд, заданих програмою.

На цьому, найзагальнішому, рівні аналізу безліч операцій, які виконуються в ОС, можна розділити на обмежене число видів. ОС може працювати як пристрій переміщення даних від одного абонента до другого, причому дані передаються без зміни сенсу, який міститься в них.

Другий варіант - ОС функціонує як пристрій зберігання даних, забезпечуючи циркуляцію інформації в обидві сторони між периферійними пристроями та засобами виконання функції зберігання (тобто дані записуються в ОС або зчитуються з ОС).

Останні два варіанти включають обробку (перетворення) даних -. Перетворювані дані або витягуються з сховища, і туди ж от¬правляются результати, або дані надходять з операційний середовища, а результати відправляються в сховище.

Наведені міркування можуть здатися занадто вже абстрактними, узагальненими настільки, що не мають ніякого практичного застосування. Але це не так - навіть на верхньому рівні абстрагування можна було б більш докладно диференціювати його функції.

Можливості підстроювання конфігурації ОС під перечень виконуваних функцій дуже обмежені. Основна тому причина - ОС за самою своєю природою орієнтована на виконання найрізноманітніших завдань, а тому практично вся її спеціалізація проявляється на стадії програмування, а не на стадії проектування.

№ 13

Роль кеш-пам'яті в ієрархії підсистеми пам'яті

Кеш-пам'ять, або просто кеш (cache), - це верхній рівень ієрархії підсистеми пам'яті, що забезпечує продуктивність підсистеми пам'яті, яка потрібна для ефективної роботи процесора при зверненнях в оперативну пам'ять обчислювальної системи за рахунок динамічного копіювання в «швидке» ЗУ найбільш часто використовуваної інформації з «повільного» ЗУ.

Кеш-пам'ять дозволяє, з одного боку, зменшити середній час доступу до даних, а з іншого боку - економити більш дорогу швидкодіючу пам'ять.

Невід'ємною властивістю кеш-пам'яті є її прозорість для програм і користувачів. Система не вимагає ніякої зовнішньої інформації про інтенсивність використання даних; ні користувачі, ні програми не беруть жодної участі в переміщенні даних з ЗУ одного типу в ЗУ іншого типу, все це робиться автоматично системними засобами.

Кеш-пам'яттю часто називають не тільки спосіб організації роботи двох типів запам'ятовуючих пристроїв, але й один з пристроїв - «швидке» ЗУ. Воно коштує дорожче і, як правило, має порівняно невеликий обсяг. «Повільне» ЗУ - це оперативна пам'ять обчислювальної системи.

Кешування - це універсальний метод, придатний для прискорення доступу до оперативної пам'яті, до диска і до інших видів запам'ятовуючих пристроїв. Якщо кешування застосовується для зменшення середнього часу доступу до оперативної пам'яті, то в якості кеша використовують швидкодіючу статичну пам'ять. Якщо кешування використовується системою введення-виведення для прискорення доступу до даних, що зберігаються на диску, то в цьому випадку роль кеш-пам'яті, як правило, виконують буфери в оперативній пам'яті, в яких осідають найбільш активно використовувані дані. Віртуальну пам'ять також можна вважати одним з варіантів реалізації принципу кешування даних, при якому оперативна пам'ять виступає в ролі кеша по відношенню до зовнішньої пам'яті - жорсткого диска. Правда, в цьому випадку кешування використовується не для того, щоб зменшити час доступу до даних, а для того, щоб змусити диск частково підмінити оперативну пам'ять за рахунок переміщення тимчасово невикористаного коду і даних на диск з метою звільнення місця для активних процесів. В результаті найбільш інтенсивно використовуються дані «осідають» в оперативній пам'яті, інша ж інформація зберігається в більш об'ємною і менш дорогої зовнішньої пам'яті.

№ 21

Як визначити ефективний цикл звернення в оперативну пам'ять за наявності кеш-пам'яті з трьома рівнями?

Кешування даних і інструкцій в кеш-пам'яті першого рівня. Ця пам'ять має об'єм в десятки Кбайт. Як правило, кеш-пам'ять першого рівня розділена на кеш-пам'ять для зберігання даних і кеш-пам'ять для зберігання інструкцій. Узгодження даних виконується тільки методом наскрізний запису. Розмір блоку, пересилається в кеш-пам'ять першого рівня з кеш-пам'яті другого рівня може змінюватися в широких межах, наприклад, 32, 64 байта і більше. Як правило, використовується змішаний принцип організації (секторно-набірний) з різним числом секторів (2, 4, 8 і більше).

Кешування даних і інструкцій в кеш-пам'яті другого рівня. Кеш-пам'ять другого рівня є спільною для даних і інструкцій і має об'єм в сотні і тисячі Кбайт. Пошук в кеші другого рівня виконується у випадку, коли фіксується промах в кеші першого рівня. Для узгодження даних в кеші другого рівня може використовуватися як наскрізна, так і зворотний запис. Розмір блоку, пересилається в кеш-пам'яті другого рівня з кеш-пам'яті третього рівня також може змінюватися в широких межах, наприклад, 64, 128 байт і більше.

Використовується змішаний принцип організації (секторно-набірний) зі значним числом секторів.

Кешування даних і інструкцій в кеш-пам'яті третього рівня. Кеш-пам'ять третього рівня є загальною для даних і інструкцій і має обсяг у кілька Мбайт. Пошук в кеші третього рівня виконується у випадку, коли констатується промах в кеші другого рівня. Для узгодження даних в кеші третього рівня може використовуватися як наскрізна, так і зворотний запис.

Кожен новий рівень кеш-пам'яті має:

· обсяг - не менш ніж у 10 разів більше ніж попередній рівень;

· нижче швидкодія;

· більш широкі лінії зв'язку для отримання інформації з нижчих рівнів ієрархії пам'яті;

· великі блоки обміну інформацією з більш низькими рівнями ієрархії пам'яті.

По відповідності інформації кеш-пам'яті першого та другого рівнів можуть бути:

інформація в кеш-пам'яті більш високого рівня є підмножиною кеш-пам'яті нижчого рівня;

інформація в кеш-пам'яті більш високого рівня не є підмножиною кеш-пам'яті нижчого рівня.

Перший тип організації багаторівневої кеш-пам'яті характерний для процесорів фірми Intel, другий - фірми AMD.



№ 39

Основні особливості відеоданих. Матричне і графічне представлення відеоінформації

Відеоінформація буває як статичною, так і динамічною.

Статична:

· текст;

· малюнки: плоскі - двовимірні та об'ємні - тривимірні.

· графіки;

· креслення;

· таблиці та ін.

Динамічна:

· відео - фільми

· мульт - фільми

· слайд - фільми.

В їх основі лежить послідовне експонування на екрані в реальному масштабі часу окремих кадрів відповідно до сценарію. Динамічна інформація використовується або для передачі рухомих зображень (анімація), або для послідовної демонстрації окремих кадрів (слайд-фільми).

Для демонстрації анімаційних та слайд-фільмів спираються на різні принципи. Анімаційні фільми демонструються так, щоб зоровий апарат людини не міг зафіксувати окремих кадрів (для отримання якісної анімації кадри повинні змінюватися близько 70 разів/с. При демонстрації слайд-фільмів кожен кадр експонується на екрані стільки часу, скільки необхідно для сприйняття його людиною (зазвичай від 30 с до 1 хв). Слайд-фільми можна віднести до статичної відеоінформації.

Подання графічної інформації:

· растрова (матрична)

· векторна

У матричних форматах зображення представляється прямокутною матрицею точок - пікселів (елементів зображення), положення яких в матриці відповідає координатам точок на екрані. Крім координат кожен піксель характеризується своїм кольором, кольором фону або градацією яскравості. Кількість бітів, що виділяються для вказівки кольору пікселя, змінюється залежно від формату. У високоякісних зображеннях колір пікселя описують 24 бітами, що дає близько 16 млн кольорів.

"-" Недолік матричної (растрової) графіки полягає у великій ємності пам'яті, необхідної для зберігання зображення, через що для опису зображень вдаються до різних методів стиснення даних.

В даний час існує безліч форматів графічних файлів, що розрізняються алгоритмами стиснення і способами подання матричних зображень, а також сферою застосування. Деякі з поширених форматів матричних графічних файлів: BMP, GIF, PCX, JPEG, TIFF, PNG.

Векторне подання, на відміну від матричної графіки, визначає опис зображення не пікселями, а кривими - сплайнами. Сплайн - це гладка крива, яка проходить через дві або більше опорні точки, що керують формою сплайна. У векторній графіці найбільш поширені сплайни на основі кривих Безьє. Суть сплайна: будь-яку елементарну криву можна побудувати, знаючи чотири коефіцієнта P1, P2, P3 і P4 відповідні чотирьом точкам на площині. Переміщення цих точок тягне за собою зміну форми кривої



Хоча це може здатися більш складним, але для багатьох видів зображень використання математичних описів є більш простим способом. У векторній графіці для опису об'єктів використовуються математичні формули. Це дозволяє при малюванні об'єктів обчислювати, куди необхідно поміщати реальні точки зображення. Є ряд найпростіших об'єктів, або примітивів, наприклад еліпс, прямокутник, лінія. Ці примітиви і їх комбінації служать основою для створення більш складних зображень. У найпростішому випадку зображення може бути складено з відрізків ліній, для яких задаються початкові координати, кут нахилу, довжина, товщина лінії, колір лінії і колір фону.

"+" векторної графіки - опис об'єкта, є простим і займає мало пам'яті. Крім того, векторна графіка в порівнянні з матричної має такі переваги:

· простота масштабування зображення без погіршення його якості;

· незалежність ємності пам'яті, необхідної для зберігання зображення, від обраної колірної моделі.

"-" векторних зображень є їх деяка штучність, яка полягає в тому, що будь-яке зображення необхідно розбити на кінцеву безліч складових його примітивів.

Як і для матричної графіки, існує кілька форматів: DFX, CDR, HPGL, PS, SVG, VSD.

Матрична і векторна графіка існують не відокремлено один від одного. Так, векторні малюнки можуть включати в себе і матричні зображення. Крім того, векторні і матричні зображення можуть бути перетворені одна в одну. Графічні формати, що дозволяють поєднувати матричне і векторне опис зображення, називаються метафайлами. Метафайли забезпечують достатню компактність файлів із збереженням високої якості зображення. Формати: EPS, WMF, CGM.



№ 47

Способи адресації даних в оперативній пам'яті.

Питання про те, яким чином в адресному полі команди може бути вказане місце розташування операндів, вважається одним із центральних при розробці архітектури обчислювальної системи. З погляду скорочення апаратурних витрат очевидне прагнення розробників зменшити довжину адресного поля при збереженні можливостей доступу до всього адресного простору. З іншого боку, спосіб завдання адрес повинен сприяти максимальному зближенню конструктивів мов програмування високого рівня та машинних команд. Все це привело до того, що в архітектурі системи команд будь-який обчислювальної системи передбачені різні способи адресації операндів.

Приступаючи до розгляду способів адресації, спочатку визначимо поняття «виконавчий» та «адресний код».

Виконавчою адресою операнду (А_вик) називається двійковий код номера комірки оперативної пам'яті, яка служить джерелом операнда або приймачем результату операції. Цей код подається на адресні входи запам'ятовуючого пристрою, і по ньому відбувається фактичне звернення до зазначеної комірки оперативної пам'яті Якщо операнд зберігається не в оперативній пам'яті, а в регістрі процесора, його виконавчою адресою буде номер регістра.

Адресний код команди (А_к) -- це двійковий код в адресному полі команди, з якого необхідно сформувати виконавчу адресу операнда або результату операції.

В сучасних обчислювальних системах виконавча адреса та адресний код, як правило, не збігаються, і для доступу до даних потрібне відповідне перетворення. Спосіб адресації -- це спосіб формування виконавчої адреси операнда (або результату операції) по адресному коду команди. Спосіб адресації істотно впливає на параметри процесу обробки інформації. Одні способи дозволяють збільшити ємність адресованої оперативної пам'яті без подовження команди, але знижують швидкість виконання операції, інші - прискорюють операції над масивами даних, треті - спрощують роботу з підпрограмами й т.д. В сучасних обчислювальних системах звичайно є можливість використання декількох різних способів адресації операндів для однієї й тієї ж операції.

Щоб пристрій керування обчислювальної системи міг визначити, який саме спосіб адресації використовується в даній команді, в різних обчислювальних системах використовуються різні прийоми. Часто різним способам адресації відповідають і різні коди операції. Інший підхід -- це введення до складу команди спеціального поля способу адресації, вміст якого визначає, який зі способів адресації повинен бути застосований. Іноді в команді є декілька полів -- по одному на кожну адресу. Відзначимо, що можливий також варіант, коли в команді взагалі відсутня адресна інформація, тобто має місце неявна адресація. При неявній адресації адресного поля або просто нема, або воно містить не всі необхідні адреси - відсутня адреса мається на увазі кодом операції. Так, при виключенні з команди адреси результату мається на увазі, що результат міститься на місце другого операнду. Неявна адресація застосовується досить широко, оскільки дозволяє скоротити довжину команди.

Вибір способів адресації є одним з найважливіших питань розробки системи команд і всієї обчислювальної системи в цілому, при цьому істотне значення має не тільки зручність програмування, але й ефективність способу.

Найпоширеніші види адресації в обчислювальних системах розглядаються нижче.

При безпосередній адресації (БА) в адресному полі команди замість адреси вміщується безпосередньо сам операнд. Цей спосіб може застосовуватися при виконанні арифметичних операцій, операцій порівняння, а також для завантаження констант у регістри.

Коли операндом є число, воно звичайно представляється в додатковому коді. При записі в регістр, який має розрядність, яка перевищує довжину безпосереднього операнду, операнд розміщується в молодшій частині регістра, а вільні позиції, які залишилися, заповнюються значенням знакового розряду операнда.

Крім того, що в адресному полі можуть бути визначені тільки константи, ще одним недоліком даного способу адресації є те, що розмір безпосереднього операнда обмежений довжиною адресного поля команди, яке у більшості випадків менше довжини машинного слова.

В 50-60% команд з безпосередньою адресацією довжина операнду не перевищує 8 розрядів, а в 75-80% - 16 розрядів. Таким чином, у більшому числі випадків шістнадцяти розрядів цілком достатньо, хоча для обчислення адрес можуть знадобитися й більш довгі константи.

Безпосередня адресація скорочує час виконання команди, тому що не потрібне звернення до оперативної пам'яті за операндом. Крім того, заощаджується оперативна пам'ять, оскільки відпадає необхідність в комірці для зберігання операнду. В плані ефективності цей спосіб можна вважати «ідеальним», і його можна рекомендувати до використання у всіх ситуаціях, коли тому не перешкоджають вищезгадані обмеження.

При прямій або абсолютній адресації адресний код прямо вказує номер комірки оперативної пам'яті, до якої виконується звернення, тобто адресний код збігається з виконавчою адресою.

При всій простоті використання спосіб має істотний недолік - обмежений розмір адресного простору, тому що для адресації комірок оперативної пам'яті великої ємності потрібно «довге» адресне поле. Однак більш істотним недоліком можна вважати те, що адреса, зазначена в команді, не може бути змінена в процесі обчислень (у всякому разі, така зміна не рекомендується). Це обмежує можливості по довільному розміщенню програми в оперативній пам'яті.

Одним зі шляхів подолання проблем, властивих прямій адресації, може служити прийом, коли за допомогою обмеженого адресного поля команди вказується адреса комірки оперативної пам'яті, в якій знаходиться повнорозрядна адреса. Цей спосіб відомий як непряма адресація. Запис (А_к) означає вміст комірки оперативної пам'яті, адреса якої зазначена у дужках.

При непрямій адресації вміст адресного поля команди залишається незмінним, у той час як непряма адреса в процесі виконання програми можне змінюватися. Це дозволяє проводити обчислення, коли адреси операндів заздалегідь невідомі і з'являються лише в процесі виконання програми. Додатково такий прийом спрощує обробку масивів та списків, а також передачу параметрів підпрограмам.

Недоліком непрямої адресації є необхідність у подвійному зверненні до оперативної пам'яті: спочатку для отримання адреси операнда, а потім для звернення по операнд. Крім того використовується зайва комірка оперативної пам'яті для зберігання виконавчої адреси операнда.

Як варіант непрямої адресації, який щоправда, досить рідко використовується, є багаторівнева або каскадна непряма адресація: А вик = (…(А_К)…), коли до виконавчої адреси веде ланцюжок непрямих адрес. У цьому випадку один з розрядів у кожній адресі служить ознакою непрямої адресації. Стан розряду вказує, чи є вміст комірки оперативної пам'яті черговою адресою в ланцюжку адрес, чи це вже виконавча адреса операнда. Особливих переваг у такому підходу нема, але в деяких специфічних ситуаціях він виявляється досить зручним, наприклад, при обробці багатомірних масивів. У той же час очевидний і його недолік - для доступу до операнда потрібно три і більше звернень до оперативної пам'яті.

Регістрова адресація нагадує пряму адресацію. Різниця полягає в тому, що адресне поле команди вказує не на комірку оперативної пам'яті, а на регістр процесора. Ідентифікатор регістра надалі будемо позначати буквою R. Звичайно розмір адресного поля в цьому випадку три або чотири розряди, що дозволяє вказати відповідно на один з 8 або 16 регістрів загального призначення..

Двома основними перевагами регістрової адресації є: коротке адресне поле в команді та відсутність звернень до оперативної пам'яті. Мале число регістрів загального призначення дозволяє скоротити довжину адресного поля команди й час вибірки операнда з регістра загального призначення. При малому числі регістрів загального призначення можливості по використанню регістрової адресації обмежені.

Непряма регістрова адресація це непряма адресація, де виконавча адреса операнда зберігається не в комірці оперативної пам'яті, а в регістрі процесора. Відповідно, адресне поле команди вказує не на комірку оперативної пам'яті, а на регістр.

Переваги та обмеження непрямої регістрової адресації ті ж, що й у звичайної непрямої адресації, але завдяки тому, що непряма адреса зберігається не в оперативній пам'яті, а в регістрі, для доступу до операнда потрібно на одне звернення до оперативної пам'яті менше.

При адресації зі зміщенням виконавча адреса формується в результаті підсумовування вмісту адресного поля команди із вмістом одного або декількох регістрів процесора.

Адресація зі зміщенням припускає, що адресна частина команди містить у собі як мінімум одне поле (А_к). В ньому вказується константа, зміст якої в різних варіантах адресації зі зміщенням може мінятися. Константа може бути якоюсь базовою адресою, до якої додається зміщення, яке зберігається в регістрі. Допускається і прямо протилежний підхід: базова адреса перебуває в регістрі процесора, а в полі А_к вказується зміщення щодо цієї адреси. У деяких архітектурах для реалізації певних варіантів адресації зі зміщенням передбачені спеціальні регістри, наприклад базовий або індексний. Використання таких регістрів передбачається за замовчуванням, тому адресна частина команди містить тільки поле Ак. Якщо ж складова адреси може розташовуватися в довільному регістрі загального призначення, то для вказівки конкретного регістра в команду включається додаткове поле R (якщо адреса складається більш ніж з двох складових у команді буде кілька таких полів). Ще одне поле R може з'явитися в командах, де зміщення перед обчисленням виконавчої адреси множиться на масштабний коефіцієнт. Такий коефіцієнт заноситься в один з регістрів загального призначення, на який і вказує це додаткове поле. В найбільш загальному випадку адресація зі зміщенням має на увазі наявність двох адресних полів: А_к й R.

В рамках адресації зі зміщенням є ще один варіант, при якому виконавча адреса обчислюється не підсумовуванням, а конкатенацією (приєднанням) складових адреси. Тут одна складова являє собою старшу частину виконавчої адреси, а інша - молодшу.

Нижче розглядаються основні способи адресації зі зміщенням, кожний з яких, втім, має власну назву.

При відносній адресації для одержання виконавчої адреси операнда вміст поля А_к команди складається із вмістом лічильника команд (мал. 6.23). Таким чином, адресний код у команді є зміщенням щодо адреси поточної команди. Слід зазначити, що в момент обчислення виконавчої адреси операнда в лічильнику команд може вже бути сформована адреса наступної команди, що потрібно враховувати при виборі величини зміщення. Звичайно поле А_к трактується як двійкове число в додатковому коді.

Адресація щодо лічильника команд базується на властивості локальності, яка виражається в тому, що більша частина звернень відбувається до комірок оперативної пам'яті, розташованих у безпосередній близькості від виконуваної команди. Це дозволяє заощадити на довжині адресної частини команди, оскільки розрядність поля А_к може бути невеликою. Головна перевага даного способу адресації полягає в тому, що він робить програму переміщуваною в оперативній пам'яті: незалежно від поточного розташування програми в адресному просторі взаємне положення команди та операнда залишається незмінним, тому адресація операнда залишається коректною.

У випадку базової регістрової адресації в регістрі, який називають базовим, знаходиться повнорозрядна адреса, а поле Ас -- зміщення щодо цієї адреси. Посилання на базовий регістр можуть бути явні або неявні. В деяких архітектурах передбачається спеціальний базовий регістр і його використання є неявним, тобто поле R у команді відсутнє.

Більш типовий випадок, коли в ролі базового регістра виступає один з регістрів загального призначення, тоді його номер явно вказується в полі R команди.

Базову регістрову адресацію звичайно використовують для доступу до елементів масиву, положення яких в оперативній пам'яті в процесі обчислень може мінятися. В базовий регістр заноситься початкова адреса масиву, а адреса елемента масиву вказується в поле Ас команди у вигляді зміщення щодо початкової адреси масиву. Достоїнство даного способу адресації в тому, що зміщення має меншу довжину, ніж повна адреса, і це дозволяє скоротити довжину адресного поля команди. Коротке зміщення розширюється до повної довжини виконавчої адреси шляхом додавання ліворуч розрядів, що збігаються зі значенням знакового розряду зміщення.

Розподіл значень зміщення при виконанні п'яти тестових програм пакета SPECInt92 і п'яти програм пакета SPECftp92.

Довжина зміщення перевищила 16 розрядів лише в 1% випадків базової регістрової адресації, тобто в переважній більшості випадків довжина зміщення істотно менше.

При індексній адресації поле Ас містить адресу комірки оперативної пам'яті, а регістр (вказаний явно або неявно) -- зміщення щодо цієї адреси. Як видно, цей спосіб адресації схожий на базову регістрову адресацію. Оскільки при індексній адресації в полі Ас перебуває повнорозрядна адреса комірки оперативної пам'яті, яка відіграє роль бази, довжина цього поля більша, ніж при базовій регістровій адресації. Проте, обчислення виконавчої адреси операнда виконується ідентично.

Індексна адресація надає зручний механізм для організації ітерактивних обчислень. Нехай, наприклад, є масив чисел, розташованих в оперативній пам'яті послідовно, починаючи з адреси N, і ми хочемо збільшити на одиницю всі елементи даного масиву. Для цього потрібно прочитати кожне число з оперативної пам'яті, додати до нього 1 і записати назад, а послідовність виконавчих адрес буде наступною: N, N+ 1, N+ 2 і т.д., аж до останньої комірки масиву. Значення N береться з поля Ас команди, а в обраний регістр, названий індексним регістром, спочатку заноситься 0. Після кожної операції вміст індексного регістра збільшується на 1.

Тому що це досить типовий випадок, у більшості архітектур обчислювальних систем збільшення або зменшення вмісту індексного регістра до або після звернення до нього здійснюється автоматично як частина машинного циклу. Такий прийом називається автоіндексацією. Якщо для індексної адресації використовуються спеціально виділені регістри, автоіндексація може виконуватися неявно та автоматично. При залученні для зберігання індексів регістрів загального призначення необхідність операції автоіндексації повинна вказуватися в команді спеціальним розрядом.

Автоіндексація зі збільшенням вмісту індексного регістра зветься автоінкрементною адресацією та може бути описана в такий спосіб:

А_вик = АС + (R), R < (R) + 1 або R < (R) + 1, А _вик = АС + (R)

В першому варіанті збільшення вмісту індексного регістра відбувається після формування виконавчої адреси, і цей спосіб називається післяінкрементною автоіндексацією. У другому випадку спочатку виконується збільшення вмісту індексного регістра, і вже нове значення використовується для формування виконавчої адреси. Тоді говорять про доінкрементну автоіндексацію.

Автоіндексація зі зменшенням вмісту індексного регістра зветься автодекрементною адресацією та може бути описана так:

А_ВИК = АС + (R), R < (R) - 1 або R < (R) - 1, А _ВИК = АС + (R)

Тут також можливі два варіанти, які відрізняються послідовністю виконання операцій зменшення вмісту індексного регістра та обчислення виконавчої адреси: післядекрементна автоіндексація та додекрементна автоіндексація.

Цікавим і досить корисним є ще один варіант індексної адресації -- індексна адресація з масштабуванням і зміщенням: вміст індексного регістра множиться на масштабний коефіцієнт і сумується з Ас. Масштабний коефіцієнт може приймати значення 1,2,4 або 8, для чого в адресній частині команди виділяється додаткове поле. Описаний спосіб адресації реалізований, наприклад, в архітектурі IA-32.

Слід особливо зазначити, що система команд архітектур багатьох обчислювальних систем надає можливість різними видами сполучати базову й індексну адресації як додаткові способи адресації.

Сторінкова адресація припускає розбивку адресного простору на сторінки. Сторінка визначається своєю початковою адресою, яка виступає як база. Старша частина цієї адреси зберігається в спеціальному регістрі- регістрі адреси сторінки (РАС). В адресному коді команди вказується зміщення всередині сторінки, яке розглядається як молодша частина виконавчої адреси. Виконавча адреса утворюється конкатенацією (приєднанням) Ас до вмісту РАС.

Блокова адресація використовується в командах, для яких одиницею обробки служить блок даних, розташований у послідовних комірках оперативної пам'яті. Цей спосіб дуже зручний при роботі із зовнішніми запам'ятовуючими пристроями та в операціях з векторами. Для опису блоку звичайно береться адреса комірки оперативної пам'яті, де зберігається перший або останній елемент блоку, і загальна кількість елементів блоку, задана числом байтів або комірок. Замість довжини блоку може використовуватися спеціальна ознака «кінець блоку», яка поміщається за останнім елементом блоку.

Способи адресації в командах керування потоком команд

Основними способами адресації в командах керування потоком команд є пряма й відносна.

Для команд безумовного й умовного переходу (розгалуження) найбільш типова відносна адресація, коли в адресній частині команди вказується зміщення адреси місця переходу щодо поточної команди, тобто зміщення щодо поточного вмісту лічильника команд. Використання даного способу адресації дозволяє програмі виконуватися в будь-якому місці оперативної пам'яті - програми стають переміщуваними. Серед команд безумовного переходу частка відносної адресації становить близько 90%.

№ 56

Адресація периферійних пристроїв

Як правило, до складу обчислювальної системи входить багато периферійних пристроїв. Для того, щоб їх розрізняти, кожному периферійному пристрою привласнюється необхідна кількість унікальних адрес. Відповідно, у контролері інтерфейсу периферійного пристрою передбачаються схеми для розпізнавання адрес.

В обчислювальній системі адресація периферійних пристроїв може здійснюватися через:

- спеціальний адресний простір вводу-виводу;

- адресний простір оперативної пам'яті.

У випадку використання адресного простору оперативної пам'яті для адресації периферійних пристроїв виділяється частина адрес із загального адресного простору оперативної пам'яті.

Позитивні якості такого підходу такі:

- практично необмежені можливості по виділенню адрес для периферійних пристроїв;

- використання для роботи з периферійними пристроями в драйверах будь-яких команд і регістрів загального призначення архітектури процесора, а не тільки спеціалізованих;

- використання для програмування драйверів мов високого рівня, якщо це доцільно.

Недоліки такого підходу:

- ускладнення схем дешифрування адреси в контролері інтерфейсу периферійного пристрою, тому що розмір адресного простору оперативної пам'яті в сучасних обчислювальних системах становить величину не меншу 4 Гбайт, а кількість розрядів адреси, яка дешифрується, становить не менше 32-х.

- тому що кожна функція периферійного пристрою, яка адресується, працює по алгоритму комірки оперативної пам'яті та на однаковому інтерфейсі оперативної пам'яті, а вимоги до швидкодії схем контролера периферійного пристрою такі ж, як і для мікросхем оперативної пам'яті;

- деяке зменшення адресного простору, який використовується для роботи з оперативною пам'яттю;

- підвищення вартості контролерів периферійних пристроїв, особливо простих.

У випадку використання спеціального адресного простору вводу-виводу для роботи з периферійними пристроями в системі команд передбачаються спеціальні команди вводу-виводу. В архітектурі IA-32 (процесори лінії Pentium фірми Intel, процесори фірми AMD) такими командами є команди: IN; OUT; INS; OUTS. Ці команди виконують обмін інформацією між регістром ЕАХ і регістром (буфером) контролера даного пристрою. Адреса пристрою задається або безпосередньо в команді вводу-виводу, або в регістрі EDX.

Позитивні якості використання спеціального адресного простору вводу-виводу:

- адреса функції периферійного пристрою може бути короткою, виходить, і необхідні менші апаратурні витрати для дешифрування адреси. Досить розповсюджений випадок, коли адреса вказується 10-ю розрядами. При завданні в командах IN; OUT; INS; OUTS адреси периферійного пристрою через регістр використовується 16 молодших розрядів регістра EDX.

- програми стають більше наочними в порівнянні з варіантом єдиного адресного простору, тому що операції вводу-виводу виконуються за допомогою спеціальних команд;

- розробка підсистеми вводу-виводу може виконуватися окремо від розробки підсистеми оперативної пам'яті.

Недоліки використання спеціального адресного простору вводу-виводу:

- ввід-вивід здійснюється тільки з використанням у процесорі одного регістра ЕАХ.

- для обробки введеної з периферійного пристрою порції інформації (якщо регістр ЕАХ зайнятий) потрібні додаткові команди.

Історично більше широке поширення одержав варіант зі спеціалізованим адресним простором вводу-виводу. Це пояснюється, в основному, меншими апаратурними витратами на його реалізацію. 20 -30 років тому обмеження по витратах апаратури мали переважний вплив. Прагнення зменшити довжину команди, зменшити витрати на контролер інтерфейсу в периферійному пристрої, особливо для відносно простих периферійних пристроїв, і обумовили широке поширення такого варіанту. Однак, і раніше варіант єдиного адресного простору для оперативної пам'яті й периферійних пристроїв використовувався в деяких обчислювальних системах, переважно в таких, де для зв'язку з оперативною пам'яттю та периферійними пристроями використовувалася системна магістраль.

В зв'язку з успіхами в розвитку мікроелектроніки в 90-і роки 20-го століття обмеження на апаратурні витрати для реалізації контролерів інтерфейсів (і контролерів периферійних пристроїв у цілому) перестали відігравати істотну роль. На перший план при розробці підсистем вводу-виводу, контролерів інтерфейсів, контролерів периферійних пристроїв висунулися переваги єдиного адресного простору. Особливо чітко ці переваги виявилися при впровадженні інтерфейсу PCI. Тому в сучасних підсистемах вводу-виводу переважний вплив одержало використання для адресації периферійних пристроїв єдиного з оперативною пам'яттю адресного простору.

№ 58

Введення-вивід по перериваннях

При реалізації вводу-виводу по перериваннях необхідно:

- по-перше, визначити, яким чином центральний процесор може з'ясувати, який з контролерів периферійних пристроїв і який з підключених до нього пристроїв виставили запит;

- по-друге, при множинних перериваннях вирішити, який з периферійних пристроїв повинен обслуговуватися в першу чергу.

Для забезпечення ідентифікації периферійних пристроїв в провідних паралельних інтерфейсах використаються три основних методи:

- множинні лінії переривання;

- програмна ідентифікація;

- векторне переривання.

Найбільш простий підхід до вирішення проблеми визначення джерела запиту -- застосування багатьох ліній переривання між центральним процесором і контролерами периферійних пристроїв, хоча виділення занадто великої кількості керуючих ліній для цих цілей не раціонально. Більш того, навіть якщо є кілька ліній переривання, бажано, щоб кожна лінія могла використовуватися всіма контролерами периферійних пристроїв. При цьому, для кожної лінії діє один із двох інших методів ідентифікації периферійного пристрою.

При програмній ідентифікації, виявивши запит переривання, центральний процесор переходить до загальної програми обробки переривання, завданням якої є опитування всіх контролерів периферійних пристроїв з метою визначення джерела запиту. Для цього може бути виділена спеціальна командна лінія опитування. Центральний процесор поміщає на адресну шину адресу опитуваного контролера периферійного пристрою та формує на цій лінії сигнал опитування. Реакція контролера периферійного пристрою залежить від того, виставляв він запит чи ні. Можливий і інший варіант, коли кожен контролер периферійного пристрою має регістр стану, який адресується. Тоді центральний процесор зчитує вміст регістра стану кожного контролера периферійного пристрою, після чого з'ясовує джерело переривання. Коли джерело переривання встановлене, центральний процесор переходить до програми обробки переривання, яка відповідає цьому джерелу. Недолік методу програмної ідентифікації полягає в великих втратах часу.

Найбільш ефективну процедуру ідентифікації джерела переривання забезпечують апаратурні методи, в основі яких лежить ідея векторного переривання. В цьому випадку, контролер переривань, одержавши підтвердження переривання від процесора, видає в процесор спеціальне слово - вектор переривання. Слово містить унікальний ідентифікатор, котрий центральний процесор інтерпретує як вказівник на відповідну програму обробки переривання. Такий підхід усуває необхідність у попередніх діях з метою визначення джерела запиту переривання. Реалізується він за допомогою таблиці, яка зберігається в оперативній пам'яті векторів переривання. В цій таблиці знаходяться адреси програм обробки переривань. Входом у таблицю служить вектор переривання. Початкова адреса таблиці (база) звичайно задається неявно, тобто під таблицю виділяється цілком певна область оперативної пам'яті.

Найбільш поширені два варіанти векторної ідентифікації джерела запиту переривання: ланцюгове опитування та арбітраж шини.

№ 63

Що таке файл? Відмінності між файлом і каталогом

Всі програми і дані зберігаються в довготривалій (зовнішнії) пам'яті комп'ютера у вигляді файлів.

Файл - це певна кількість інформації (програма або дані), що має ім'я та зберігається в довготривалій (зовнішньої) пам'яті.

Назва файлу складається з двох частин, розділених крапкою: власне ім'я файлу і розширення, що визначає його тип (програма, дані і т. д.). Власне ім'я файлу дає користувач, а тип файлу зазвичай задається програмою автоматично при його створенні.

Тип файлу Розширення

Виконувані програми exe, com

Текстові файли txt, rtf,

Графічні файли bmp, gif, jpg, png, pds

Web-сторінки htm, html

Звукові файлиwav, mp3, midi, kar, ogg

Відеофайли avi, mpeg

Код (текст) програми

на мовах програмування bas, pas, cpp

В різних операційних системах існують різні формати імен файлів. В операційній системі MS-DOS власне ім'я файлу повинна містити не більше восьми букв латинського алфавіту і цифр, а розширення складається з трьох латинських букв, наприклад: proba.txt

В операційній системі Windows ім'я файлу може мати до 255 символів, причому допускається використання українського алфавіту.

Каталог - це група файлів на одному носії, що об'єднуються за якомусь критерію (зазвичай логічно взаємозалежних). Каталог можна розглядати як розділ зовнішньої пам'яті, з вмістом якого можна працювати незалежно.

Каталог має ім'я і в свою чергу може бути зареєстрований в іншому каталозі; це означає, що він включений в останній як ціле, і тоді говорять, що він є підлеглим каталогом (підкаталогом). Так утворюється ієрархічна, деревоподібна файлова система.

На кожному дисковому носії завжди є кореневий каталог: той, в якому починають реєструватися звичайні файли і підкаталоги 1-го рівня. В останніх, у свою чергу, реєструються звичайні файли і підкаталоги 2-го рівня і т. Д. Ланцюжки підлеглих (включених один в одного) каталогів позначаються їх іменами, що розділяються знаком \. Якщо цей знак стоїть перед першим ім'ям, значить, вище по ієрархії знаходиться тільки кореневий каталог.

Файлова система

На кожному носії інформації (гнучкому, жорсткому або лазерному диску) може зберігатися велика кількість файлів. Порядок зберігання файлів на диску визначається встановленої файлової системою.

Файлова система - це система зберігання файлів та організації каталогів.

Для дисків з невеликою кількістю файлів (до декількох десятків) зручно застосовувати однорівневу файлову систему, коли каталог (зміст диска) являє собою лінійну послідовність імен файлів.

Якщо на диску зберігаються сотні і тисячі файлів, то для зручності пошуку файли організовуються в багато рівневу ієрархічну файлову систему, яка має «деревоподібну» структуру.

Початковий, кореневої, каталог містить вкладені каталоги 1-го рівня, в свою чергу, в кожному з них бувають вкладені каталоги 2-го рівня і т. Д. Необхідно відзначити, що в каталогах всіх рівнів можуть зберігатися і файли.

Шлях до файлу

Для того щоб знайти файл в ієрархічній файловій структурі необхідно вказати шлях до файлу. У шлях до файлу входять записувані через роздільник "\" логічне ім'я диска і послідовність імен вкладених один в одного каталогів, в останньому з яких знаходиться даний потрібний файл.

Операції над файлами

У процесі роботи на комп'ютері над файлами найчастіше проводяться наступні операції: копіювання (копія файлу поміщається в інший каталог); переміщення (сам файл переміщується в інший каталог); видалення (запис про фото видаляється з каталогу); перейменування (змінюється ім'я файлу).

Операції копіювання і переміщення здійснюються через буфер обміну Windows.

Буфер обміну - область пам'яті, в яку тимчасово поміщається тимчасовий або скопійований об'єкт.

Виконувати різні операції над файлами зручно за допомогою різних файлових менеджерів: Far, Total Commander і т.д.

Графічне представлення файлової системи

Ієрархічна файлова система MS-DOS, що містить каталоги і файли, представлена в операційній системі Windows за допомогою графічного інтерфейсу у формі ієрархічної системи папок і документів. Папка в Windows є аналогом каталогу MS-DOS. Однак ієрархічні структури цих систем трохи відрізняються. В ієрархічній файловій системі MS-DOS вершиною ієрархії об'єктів є кореневий каталог диска, який можна порівняти зі стовбуром дерева - на ньому ростуть гілки (підкаталоги), а на гілках розташовуються листя (файли). 

У Windows на вершині ієрархії папок знаходиться папка Робочий стіл. (Наступний рівень представлений папками Мій комп'ютер, Кошик і Мережеве оточення (якщо комп'ютер підключений до локальної мережі).



№ 66

Основні фази виконання команд в процесорі

Цикл обробки команди включає три основних фази (кроки, етапи):

* фаза вилучення. Зчитування чергової команди з пам'яті в процесор.

* фаза виконання. Розшифровка коду операції та виконання відповідних дій.

* фаза переривання. Якщо переривання дозволені і є запит переривання, збереження поточного стану процесу та обслуговування переривання.

На першому кроці у фазі вилучення, названому також "вибірка з оперативної пам'яті чергової команди", з комірки оперативної пам'яті, адреса якої зназодиться в лічильнику команд, читається команда та заноситься у відповідний регістр (буфер) для наступного декодування. Вміст регістра лічильника команд звичайно визначає, яка наступна команда буде вибиратися. Спочатку передбачається, що команди програми при послідовному алгоритмі розміщуються в комірках оперативної пам'яті з послідовними адресами. Ця послідовність розміщення команд інтуїтивно розуміється як порядок написання команд програмістом при формулюванні ним алгоритму розв'язуваного завдання за допомогою наданого набору команд процесора. Тому для визначення адреси наступної команди процесор збільшує вміст лічильника команд на кількість байт виконаної команди, або замінює вміст адресою переходу у випадку виконання команд умовного або безумовного переходу.

На наступному кроці, названому "декодування" команда розшифровується (декодується).

Подальші дії процесора у фазі виконання залежать від типу команди, коду операції, типу адрес операндів та результату.

У найпростішому випадку, коли операнди та результат операції задані в регістрах, у фазі виконання виконується операція над операндами, а результат заноситься в зазначений регістр.

У випадку, коли один з операндів (або результат операції) заданий в оперативній пам'яті, то виконується фаза «читання операнду з оперативної пам'яті». Для цього відповідно до заданого способу адресації формується адреса операнду, яка посилається в оперативну пам'ять. У відповідь із оперативної пам'яті через якийсь час процесор одержує операнд. Після цього виконується задана операція над операндами і результат заноситься по заданій адресі.

Як, правило, під час фази виконання вміст лічильника команд збільшується на величину, рівну числу байтів виконуваної команди, тобто готується адреса наступної команди.

Наприкінці фази виконання перевіряється наявність запитів на переривання від зовнішніх джерел. При наявності запиту на переривання від зовнішнього джерела та при дозволі виконується фаза переривання. Аналізується тип запиту на переривання, визначається адреса програми обробки цього переривання, і керування передається цій програмі.

№ 82

Структура комп'ютера з процесором, що має вбудований контроллер оперативної пам'яті

Фірма AMD в процесорах Athlon 64, Opteron і обчислювальних системах на їхній основі реалізувала нові підходи, як до структури процесора, так і всієї обчислювальної системи на його базі

В конфігураціях обчислювальних систем з північним мостом, коли процесор виконує зчитування з оперативної пам'яті, команда посилається по системній шині з процесора в північний міст чипсета, який потім передає її інтегрованому в нього контролеру оперативної пам'яті.

Далі, коли контролер оперативної пам'яті одержав команду на зчитування (не розглядаються численні буфери, які повинна пройти команда, і т.д.), по шині оперативної пам'яті запит пересилається в оперативну пам'ять, і через декілька тактів знайдені дані пересилаються назад, у контролер оперативної пам'яті. Потім контролер оперативної пам'яті приймає ці дані та передає їх на інтерфейс системної шини, і далі ці дані попадають назад у процесор.

...