Центральный процессор

ЦП обеспечивает выполнение программы, размещенной в ОЗУ. Осуществляется выбор машинного слова, содержащего очередную машинную команду, дешифрация команды, контроль корректности данных, определение исполнительных адресов операндов, получение значения операндов и исполнение машинной команды.

Р егистровая память:

- Регистры общего назначения (РОН)

Используются в машинных командах для организации индексирования и определения исполнительных адресов операндов, а также для хранения значений наиболее часто используемых операндов, в этом случае сокращается число реальных обращений в ОЗУ и повышается системная производительность ЭВМ.

- Специальные регистры

Качественный и количественный состав специализированных регистров ЦП зависит от архитектуры ЭВМ. Ниже представлены некоторые из возможных типов регистров, обычно входящие в состав специализированных регистров.

К специальным относятся:

• регистр адреса

• регистр результат

• регистры внешних устройств

• регистры – указатели стека

Устройство управления (control unit)– координирует

выполнение команд программы процессором.

Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic unit) –

обеспечивает выполнение команд, предусматривающих

арифметическую или логическую обработку операндов.

Рабочий цикл процессора.

КЭШ память

Вернемся к проблеме дисбаланса скорости доступа к ОЗУ и скорости обработки информации ЦП.

Первое решение – использовать программные средства. Программист может разместить наиболее часто используемые операнды в РОН, тем самым сокращается количество «медленных» обращений в ОЗУ. Результат решения во многом зависит от качества программирования.

Второе решение – использование в архитектуре ЭВМ специальных регистровых буферов или КЭШ памяти.

Регистровые буфера или КЭШ память предназначены для разрешения проблемы несоответствия скоростей работы ОЗУ и ЦП, на аппаратном уровне, т.е. эта форма оптимизации в системе организована аппаратно и работает всегда, вне зависимости от исполняемой программы. Следует отметить, что результат этой оптимизации, в общем случае зависит от характеристик программы (об этом несколько позднее). Традиционно, в развитых ЭВМ используется аппаратная буферизация доступа к операндам команд, а также к самим командам.

Суть КЭШа - Обмен данными между КЭШем и оперативной памятью осуществляется блоками фиксированного размера.

Каждому буферу КЭШа соответствует адресный тег блока, который содержит служебную информацию о блоке (соответствие области ОЗУ, свободен/занят блок, ......).

Когда УУ вычисляет исполнительный адрес операнда, контролер памяти обращается к аппаратной системе КЭШа. Нахождения данных в КЭШе - попаданием (hit). Если искомых данных нет в КЭШе, то фиксируется промах (cach miss).

При возникновении промаха происходит обновление содержимого КЭШа - вытеснение. Стратегии вытеснения:

•случайная;

•вытеснение наименее популярного (LRU - Least-Recently Used

Сквозное кэширование (write-through caching)- расслоение памяти на блоки, работающие параллельно,

кэширование с обратной связью (write-back cache) - тег модификации (dirty bit )

Аппарат прерываний

Прерывание - событие в компьютере, при возникновении которого в процессоре происходит предопределенная последовательность действий.

При выполнении программы может произойти возникновение некоторых исключительных или критических ситуаций (сломалось устройство, произошло деление на ноль). Для этого в аппаратуре фиксируется набор событий, на возникновение каждого из которых машина реагирует предопределенным образом. Эти события называются прерываниями, а реакция на эти события - обработка прерываний.

Прерывания делятся на два типа:

1. внутренние - возникают в схемах контроля процессора. Примеры внутренних прерываний: произошло переполнение (overflow) или деление на ноль.

2. внешние - наступают во «внешнем мире», во внешних устройствах, поступают из УУВУ. Эти прерывания связаны с событием (часто это бывает просто ошибка), произошедшем вовне (например, невозможно считать данные с HDD).

Рассмотрим теперь последовательность действий по обработке прерываний:

Сразу заметим, прерывание не обязательно должно вызвать прекращение программы. После обработки такого прерывания система должна иметь возможность продолжить работу программы. Например, по завершении обмена с HDD происходит прерывание, но это не значит что после этого работа программы должна завершиться.

1. Итак, первое, что делает аппаратура при возникновении прерывания - это так называемое «малое упрятывание» текущей информации о программе. Аппаратура «прячет» в специальные регистры минимальный набор информации о выполняемой программе. Обычно, в этот набор данных входят значение регистра-счетчика команд (IP), содержимое регистра результата, указатель стека и несколько регистров общего назначения, которыми будет пользоваться операционная система (ОС).

2. В некоторый специальный управляющий регистр, условно будем его называть регистром прерываний, помещается код возникшего прерывания.

3. Запускается программа обработки прерываний операционной системы, т.е. передается управление на некоторую фиксированную точку ОС. (Замечу, что здесь в зависимости от реализации имеется две возможности: либо точка одна - тогда тип прерывания передается через параметр, либо для каждого прерывания имеется своя точка).

4. Происходит анализ причин прерывания. При этом используются только «упрятанные» (сохраненные) регистры. Если это прерывание было фатальным (деление на ноль, например), то продолжать выполнение программы не имеет смысла и управление передается на ту часть ОС, которая завершит выполнение программы. Если же это прерывание не фатальное, то происходит дополнительный анализ, который приводит к ответу на вопрос: можно ли оперативно (быстро) обработать прерывание. Пример прерывания, которое можно всегда обработать оперативно - прерывание по таймеру. Прерывание, связанное с приходом информации по линии связи, нельзя обработать оперативно – в этом случае происходит расчищение в системе места для программы ОС, которая займется обработкой этого прерывания. Т.е. при невозможности оперативной обработки прерывания происходит так называемое «полное упрятывание» - сохранение спасенных регистров, а затем и всех остальных регистров в таблице ОС (а не в аппаратных регистрах!). Затем фиксируется тот факт, что пространство ОЗУ, занимаемое программой, может быть перенесено (при необходимости) на внешнее устройство. Дальше идет обработка прерывания, затем происходит восстановление значений регистров и осуществляется возврат в программу в ту же точку, на которой программа остановилась.

Этап аппаратной обработки прерываний

Программный этап обработки прерываний

Модель организации прерываний с использованием «регистра прерываний»