Лекция: Архитектура компьютерной системы В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы: управление прерываниями

Лекция: Архитектура компьютерной системы

В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы: управление прерываниями, памятью, вводом-выводом, иерархия памяти, ассоциативная память (кэширование), защита памяти, аппаратная защита памяти в системах с теговой архитектурой.

Содержание

Введение Архитектура компьютерной системы Функционирование компьютерной системы Обработка прерываний Архитектура ввода-вывода Таблица состояния устройств Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) – более эффективный метод работы контроллеров устройств ввода-вывода, используемый для работы высокоскоростных устройств, способных передавать информацию со скоростью, близкой к скорости работы памяти Структура памяти Аппаратная защита памяти и процессора Аппаратная защита адресов памяти в системах с теговой архитектурой Организация аппаратной защиты памяти и процессора Ключевые термины Краткие итоги Набор для практики Вопросы Упражнения Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Введение

В данной лекции рассмотрим более подробно архитектуру компьютерной системы. Будут рассмотрены следующие вопросы:
функционирование компьютерной системы архитектура ввода-вывода структура памяти иерархия памяти аппаратная защита памяти общая архитектура системы.

Архитектура компьютерной системы

Вот типичная структура современной настольной или портативной компьютерной системы, с указанием наиболее распространенных типов устройств и их…
Рис. 4.1. Архитектура компьютерной системы.


Функционирование компьютерной системы



Обработка прерываний

Очевидно, что при обработке прерывания, в свою очередь, может возникнуть другое прерывание. В этом случае новое входящее прерывание задерживается… Кроме прерываний, генерируемых аппаратурой неявно при вычислениях (например,… При прерывании ОС сохраняет состояние процессора –значения регистров и значение счетчика команд (program counter –…

Архитектура ввода-вывода


Рис. 4.2. Временная диаграмма прерываний процессора при вводе-выводе.
На диаграмме видны моменты смены состояний процессора и устройства ввода-вывода: прерывание по запросу на ввод-вывод,…

Таблица состояния устройств

На системном уровне, при обмене происходит следующее. Выполняется системный вызов (system call)– запрос к ОС путем вызова системной подпрограммы, в данном случае – чтобы позволить пользователю ожидать завершения ввода-вывода. Операционная система хранит таблицу состояния устройств, в которой каждому устройству соответствует элемент, содержащий тип устройства, его адрес и состояние. ОС индексирует таблицу устройств, с целью определения состояния устройства и модификации элемента таблицы для включения в нее информацию о прерывании.
Архитектура синхронного (a) и асинхронного (b) ввода-вывода иллюстрируется на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Архитектура синхронного и асинхронного ввода-вывода
На схеме видно, что отличительной чертой синхронного обмена является переход процессора в состояние ожидания до окончания операции ввода-вывода.
На рис. 4.4 показан пример состояния таблицы устройств ввода-вывода, хранимой операционной системой. Для каждого устройства хранится информация о его имени, состоянии, а для занятых устройств – адрес начала и длина порции информации, подлежащей обмену. Если для некоторого устройства (в примере – диск3) имеется несколько запросов на ввод-вывод, все они организуются в очередь и обслуживаются по очереди, по мере освобождения устройства.

Рис. 4.4. Пример состояния таблицы внешних устройств ОС

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) – более эффективный метод работы контроллеров устройств ввода-вывода, используемый для работы высокоскоростных устройств, способных передавать информацию со скоростью, близкой к скорости работы памяти

DMA-контроллер передает блок данных из буферной памяти непосредственно в основную память, без участия процессора. Преимущество подобного широко применяемого подхода – не только в том, чтобы избежать лишней пересылки данных из одной области памяти в другую, но также в том, что прерывание в этом случае генерируется на каждый блок пересылаемых данных (хранящийся в буфере), но не на каждый пересылаемый байт, как при более традиционном способе обмена.

Структура памяти

В качестве вторичной памяти чаще всего используются жесткие диски (hard disks).Физически они состоят из твердых пластин из металла или стекла,… Устройство жесткого диска показано на рис. 4.5.



Аппаратная защита памяти и процессора

Использование системного вызова для выполнения ввода-вывода иллюстрируется на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Использование системного вызова для выполнения ввода-вывода.


Аппаратная защита адресов памяти в системах с теговой архитектурой

Как уже пояснялось, в такой компьютерной системе каждое слово памяти имеет тег– информацию о типе данных, хранящемся в данном слове. Специальные… Адрес в системе с теговой архитектурой представлен специальным адресным словом… Кроме дескриптора, имеется также косвенное слово (indirect word)– тегированный адрес для обращения к элементу данных…

Организация аппаратной защиты памяти и процессора

При исполнении в привилегированном режиме ОС имеет неограниченный доступ, как к памяти монитора, так и к памяти пользователя. Команды записи… В системах с теговой архитектурой только привилегированная команда может… Для организации периодических прерываний в системе имеется таймер –системный регистр, содержащий некоторое…

Ключевые термины

BluRay – диск– разновидность компакт-дисков большой емкости (25 – 50 ГБайт).
COM (communication port, serial port, последовательный порт)– порт для… DMA (Direct Memory Access) –контроллеры с прямым доступом к оперативной памяти, минуя использование специализированной…

Краткие итоги

Модули компьютерной системы – процессор, память и внешние устройства с их контроллерами – функционируют параллельно. Контроллер имеет локальный… Обработка прерываний осуществляется через резидентный вектор прерываний,… Ввод-вывод может быть синхронным и асинхронным. Для обработки ввода-вывода ОС хранит и использует таблицу состояния…

Набор для практики



Вопросы



Упражнения



Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Обзор архитектуры компьютерной системы (реферат). Обзор асинхронных и синхронных методов ввода-вывода в компьютерных системах (реферат). Методы обработки прерываний с помощью вектора прерываний (реферат). Обзор иерархии и видов внешней памяти (реферат). Обзор методов защиты памяти в компьютерных системах (реферат).