Перейти к содержанию

ОПД:Экзамен Сем2

Материал из Мадока ВТ Вики

1. Две формы представления информации. Способы представления дискретной информации. Системы счисления, используемые в вычислительной технике: двоичная, 8-я, 10-я, 16-я, двоично-десятичная.

Две формы представления информации

Вся информация может быть представлена в двух основных формах: аналоговой и цифровой (дискретной).

  1. Аналоговая информация: Представлена непрерывной величиной, которая может принимать любое значение в заданном диапазоне.
    • Примеры: Напряжение в электрической цепи, высота горы, температура воздуха.
    • Аналоговые ЭВМ: Выполняли вычисления, оперируя непрерывными физическими величинами (например, напряжением). Они были быстрыми для решения определённых классов задач (например, дифференциальных уравнений), но страдали от низкой точности и больших габаритов. Пример из лекции — логарифмическая линейка.
  2. Дискретная (цифровая) информация: Представлена в виде набора отдельных, конечных значений. Цифровые компьютеры используют именно эту форму.
    • Принцип: Весь диапазон возможных значений аналогового сигнала разбивается на конечное число уровней. В современных цифровых ЭВМ используется два уровня, кодируемые как 0 и 1. Реальный сигнал (например, напряжение) считается “1”, если он попадает в один диапазон напряжений, и “0”, если в другой.
    • Преимущества: Высокая точность, помехоустойчивость, универсальность.

Системы счисления

Система счисления (СС) — это способ записи чисел с помощью набора символов (цифр). Ключевой характеристикой является основание системы — количество цифр, используемых для представления чисел.

  • Десятичная (основание 10): Использует цифры 0-9. Привычная для человека.
  • Двоичная (основание 2): Использует только цифры 0 и 1. Это фундаментальная система для всех цифровых компьютеров, так как легко представляется двумя состояниями (включено/выключено, есть напряжение/нет напряжения).
  • Восьмеричная (основание 8): Использует цифры 0-7. Является компактной формой записи двоичных чисел, так как одна восьмеричная цифра представляет собой три двоичных разряда (триаду). Например, 111₂ = 7₈.
  • Шестнадцатеричная (основание 16): Использует цифры 0-9 и буквы A-F (где A=10, B=11, …, F=15). Еще более компактная форма записи двоичных чисел. Одна шестнадцатеричная цифра представляет четыре двоичных разряда (тетраду). Например, 1111₂ = F₁₆. Широко используется в программировании для представления адресов памяти, кодов команд, цветов и т.д.
  • Двоично-десятичная (BCD - Binary-Coded Decimal): Каждая десятичная цифра кодируется своей собственной четырехбитной двоичной последовательностью. Например, число 91₁₀ будет представлено как 1001 0001. Используется в некоторых устройствах, например, калькуляторах, для упрощения вывода на десятичные дисплеи.

2. Представление чисел с фиксированной точкой. Прямой, обратный и дополнительный код. Формирование битовых признаков переноса, переполнения, отрицательного результата, нуля.

Представление чисел с фиксированной точкой

Это способ представления чисел, при котором положение двоичной точки (аналога десятичной запятой) жестко зафиксировано. Для целых чисел точка находится после младшего разряда. Для дробных — в любом другом месте.

Беззнаковые числа: Все разряды используются для представления величины числа. В БЭВМ (16 разрядов) диапазон от 0 до 65535 (2¹⁶-1).

Знаковые числа: Старший разряд (в БЭВМ — 15-й) отводится под знак: 0 для положительных чисел, 1 для отрицательных.

Способы кодирования знаковых чисел

  1. Прямой код (Sign-Magnitude): Простейший способ. Старший бит — знак, остальные — абсолютная величина числа.
    • Недостаток: Существует два представления нуля (+0 и -0), что усложняет арифметические операции.
  2. Дополнительный код (Two’s Complement): Основной способ представления знаковых чисел в современных компьютерах.
    • Положительные числа: Кодируются так же, как в прямом коде (старший бит 0).
    • Отрицательные числа: Для получения дополнительного кода отрицательного числа нужно:
      1. Взять прямой код его модуля (положительного значения).
      2. Инвертировать все биты (получить обратный код).
      3. Прибавить к результату единицу.
    • Преимущества:
      • Только одно представление нуля.
      • Операция вычитания (A - B) сводится к сложению с числом в дополнительном коде (A + (-B)), что значительно упрощает схему арифметико-логического устройства (АЛУ).

Битовые признаки результата (флаги)

После выполнения арифметической операции в регистре состояния (PS) устанавливаются флаги, характеризующие результат.

  • N (Negative) — Признак знака: Копирует значение знакового (старшего) бита результата. Если N=1, результат отрицательный.
  • Z (Zero) — Признак нуля: Устанавливается в 1, если результат операции равен нулю.
  • C (Carry) — Признак переноса: Устанавливается в 1, если при операции с беззнаковыми числами произошел перенос из старшего разряда. Сигнализирует о выходе результата за пределы беззнакового диапазона.
  • V (oVerflow) — Признак переполнения: Устанавливается в 1, если при операции со знаковыми числами результат вышел за пределы допустимого диапазона. Это происходит, когда:
    • Складываются два положительных числа, а результат отрицательный.
    • Складываются два отрицательных числа, а результат положительный.
    • Аппаратно это определяется как V = C₁₄ ⊕ C₁₅ (в БЭВМ, где C₁₅ - перенос из знакового разряда, а C₁₄ - в знаковый разряд).

3. Представление символьных и строковых данных. Принципы построения кодовых таблиц ASCII, КОИ-8, ISO8859-5, Windows-1251, UTF-8, UTF-16.

Представление символов

Символы представляются в памяти компьютера в виде числовых кодов согласно кодовой таблице (кодировке).

  • ASCII (American Standard Code for Information Interchange): Исторически первый и самый важный стандарт. Это 7-битная кодировка, содержащая 128 символов: латинские буквы (прописные и строчные), цифры, знаки препинания и управляющие символы (например, перевод строки). В 8-битных системах старший бит часто использовался для контроля четности или для расширений.
  • 8-битные кодировки: Для представления национальных алфавитов (например, кириллицы) были созданы расширения ASCII.
    • КОИ-8 (Код Обмена Информацией, 8-битный): Популярная кодировка для кириллицы в ранних UNIX-системах.
    • Windows-1251: Стандартная кодировка для кириллицы в Microsoft Windows.
    • ISO 8859-5: Международный стандарт для кириллицы.
    • Проблема: Множество несовместимых 8-битных кодировок приводило к проблемам с отображением текста (“кракозябрам”).
  • Unicode: Глобальный стандарт, цель которого — присвоить уникальный код каждому символу из всех существующих письменных языков мира. Сам стандарт определяет только числовые коды (code points).
  • Кодировки Unicode (UTF - Unicode Transformation Format): Определяют, как числовые коды Unicode представляются в виде последовательности байтов.
    • UTF-8: Самая популярная кодировка в интернете. Имеет переменную длину символа (от 1 до 4 байт). Полностью совместима с ASCII: символы с кодами 0-127 кодируются одним байтом, как в ASCII.
    • UTF-16: Кодировка с переменной длиной (2 или 4 байта). Является основной в операционных системах Windows (начиная с NT) и в языке Java.

Представление строковых данных

Строка — это последовательность символов. В памяти она может храниться несколькими способами:

  1. NUL-terminated String (строка, завершающаяся нулем): Строка представляет собой массив символов, конец которого обозначается специальным символом с кодом 0 (NUL). Этот подход используется в языке C.
    • Преимущество: Простота.
    • Недостаток: Чтобы узнать длину строки, нужно пройти по ней до конца. Сам символ NUL не может быть частью строки.
  2. Length-prefixed String (строка с префиксом-длиной): Перед данными строки хранится ее длина (например, в первом байте или слове). Такой подход использовался в языке Pascal.
    • Преимущество: Длина строки известна сразу.
    • Недостаток: Длина строки ограничена размером поля длины.
  3. Порядок байт (Endianness): При работе с многобайтными кодировками (UTF-16) и строками, упакованными в машинные слова, важен порядок байт в памяти.
    • Big-endian: Старший байт хранится по младшему адресу (как мы привыкли читать числа).
    • Little-endian: Младший байт хранится по младшему адресу (используется в процессорах Intel x86).

4. Базовые элементы вычислительной техники: ячейки, регистры, шины, вентили, тактовые генераторы, логические схемы, триггеры, регистры, счетчики, сумматоры.

  • Ячейка/Регистр: Элемент для хранения одного бита или слова данных. Ячейки образуют память, регистры — сверхоперативную память внутри процессора.
  • Логические схемы (элементы): Базовые “кирпичики” для выполнения логических операций: И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT), Исключающее ИЛИ (XOR) и их инверсии (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Из них строятся все более сложные узлы компьютера.
  • Триггер: Электронная схема с двумя устойчивыми состояниями, способная хранить 1 бит информации. Является основой для построения регистров и статической памяти (SRAM).
  • Счетчик: Схема, которая подсчитывает количество входных импульсов. Строится на основе триггеров.
  • Сумматор: Схема для выполнения арифметического сложения двоичных чисел. Одноразрядный сумматор имеет три входа (два слагаемых бита и бит переноса с предыдущего разряда) и два выхода (бит суммы и бит переноса на следующий разряд).
  • Вентиль: Управляемый элемент, который либо пропускает сигнал, либо блокирует его. Позволяет подключать выходы различных регистров к общей шине по очереди. Реализуется на основе логического элемента И.
  • Шина (Bus): Группа проводников, по которым передаются данные, адреса и управляющие сигналы между различными блоками компьютера (процессор, память, контроллеры).
  • Тактовый генератор: Схема, генерирующая последовательность электрических импульсов (тактов) с постоянной частотой. Эти импульсы синхронизируют работу всех узлов компьютера, задавая ритм выполнения операций.

5. Структура и принцип функционирования ЭВМ. Порядок функционирования простого процессора на примере калькулятора.

Общая структура ЭВМ включает: * Центральный процессор (CPU): “Мозг” компьютера. * Арифметико-логическое устройство (АЛУ): Выполняет арифметические и логические операции. * Устройство управления (УУ): Руководит работой всех блоков ЭВМ, формируя управляющие сигналы на основе команд программы. * Память (ОЗУ): Хранит программы и данные. * Устройства ввода-вывода (УВВ): Обеспечивают взаимодействие с пользователем и внешним миром.

Принцип работы простого процессора (на примере калькулятора): Работа процессора — это циклическое выполнение последовательности простых действий (микроопераций), синхронизированных тактовым генератором. Рассмотрим сложение 7 + 5.

  1. Ввод первой цифры (7):
    • Нажимается клавиша “7”.
    • Устройство управления (УУ) генерирует сигналы, которые заносят код цифры 7 в регистр X (регистр операнда).
  2. Ввод знака операции (+):
    • Нажимается клавиша “+”.
    • УУ пересылает содержимое регистра X (число 7) в регистр Y (регистр-аккумулятор), а регистр X очищается. Код операции “+” запоминается.
  3. Ввод второй цифры (5):
    • Нажимается клавиша “5”.
    • УУ заносит код цифры 5 в регистр X.
  4. Выполнение операции (=):
    • Нажимается клавиша “=”.
    • УУ подает содержимое регистров X (5) и Y (7) на входы АЛУ.
    • УУ подает на АЛУ команду “сложить”.
    • АЛУ выполняет сложение, результат (12) записывается обратно в регистр X.
    • Содержимое регистра X (12) отображается на индикаторе.

Этот пример демонстрирует, как сложная задача разбивается на последовательность элементарных шагов (микроопераций), управляемых сигналами от УУ в такт с генератором.

6. Операционная система Unix – ядро ОС и файловая система.

Ядро ОС (Operating System Kernel)

Ядро — это центральная часть операционной системы, которая управляет ресурсами компьютера и предоставляет приложениям (пользовательским процессам) абстрактный и безопасный интерфейс для работы с этими ресурсами. В Unix-подобных системах ядро можно представить состоящим из нескольких ключевых подсистем:

  1. Интерфейс системных вызовов (System Call Interface): Это граница между пользовательскими программами и ядром. Когда программе нужно выполнить привилегированную операцию (например, прочитать файл или отправить данные по сети), она делает системный вызов. Ядро перехватывает этот вызов, переключает процессор в режим ядра, выполняет требуемое действие и возвращает результат программе.
  2. Управление процессами и потоками: Эта подсистема отвечает за создание, планирование и уничтожение процессов и потоков. Она распределяет процессорное время между ними, создавая иллюзию одновременной работы множества программ.
  3. Управление памятью: Управляет оперативной памятью (ОЗУ). Выделяет память процессам, отслеживает ее использование и освобождает после завершения процесса. Важнейшей функцией является реализация виртуальной памяти, которая изолирует адресные пространства процессов друг от друга и позволяет использовать больше памяти, чем физически установлено (за счет области подкачки на диске).
  4. Виртуальная файловая система (VFS): Предоставляет единый интерфейс для работы с различными типами файловых систем (на жестком диске, сетевых, виртуальных). Благодаря VFS, пользовательские программы работают с файлами одинаково, не задумываясь о том, где и как они физически хранятся.
  5. Сетевая подсистема: Реализует стек протоколов (например, TCP/IP), позволяя компьютеру обмениваться данными с другими устройствами в сети.
  6. Драйверы устройств: Это модули ядра, которые управляют конкретными аппаратными устройствами (видеокартой, жестким диском, сетевой картой). Они “переводят” высокоуровневые запросы от других подсистем ядра в низкоуровневые команды, понятные аппаратуре.

Файловая система

В Unix всё является файлом — обычные файлы, каталоги, устройства. Файловая система имеет иерархическую (древовидную) структуру с единым корнем /.

Ключевые концепции: * Inode (индексный дескриптор): Это структура данных, в которой хранится вся метаинформация о файле: * Тип файла (обычный, каталог, символическая ссылка и т.д.). * Права доступа. * Владелец и группа. * Размер файла. * Временные метки (создание, модификация, доступ). * Указатели на блоки данных на диске, где хранится содержимое файла. * Важно: Inode не хранит имя файла. * Каталог (Directory): Это специальный тип файла, который содержит список пар: имя файла ↔ номер inode. Таким образом, имя файла — это просто ссылка на inode. * Жесткая ссылка (Hard Link): Это второе (или третье, и т.д.) имя для того же самого inode. Все жесткие ссылки на один файл абсолютно равноправны. Файл физически удаляется с диска только тогда, когда удаляется последняя жесткая ссылка на его inode. * Символическая (мягкая) ссылка (Symbolic Link / Soft Link): Это специальный файл, который хранит не номер inode, а текстовый путь к другому файлу. При обращении к символической ссылке система перенаправляет запрос по этому пути. Если оригинальный файл удалить, ссылка станет “битой”.

Схема иерархической структуры ядра Unix-подобной системы.

7. Операционная система Unix – интерпретаторы, стандартные потоки ввода вывода, фильтры.

Интерпретаторы команд (Shell)

Shell — это программа, которая предоставляет пользователю интерфейс для взаимодействия с ядром ОС. Он читает команды, введенные пользователем, и запускает соответствующие программы. * Примеры: sh (Bourne shell), bash (Bourne-again shell, самый популярный), csh, ksh. * Функции: Запуск программ, управление переменными окружения, перенаправление потоков, конвейеры (pipes), написание скриптов.

Стандартные потоки ввода-вывода

Для каждого процесса при запуске ОС автоматически открывает три стандартных потока: 1. stdin (standard input, файловый дескриптор 0): Стандартный поток ввода. По умолчанию связан с клавиатурой. 2. stdout (standard output, файловый дескриптор 1): Стандартный поток вывода. Сюда программа пишет свой “нормальный” результат. По умолчанию связан с терминалом (экраном). 3. stderr (standard error, файловый дескриптор 2): Стандартный поток ошибок. Сюда программа пишет сообщения об ошибках. По умолчанию также связан с терминалом.

Разделение вывода на stdout и stderr позволяет перенаправлять полезный результат в файл, при этом видя ошибки на экране.

Фильтры и перенаправление

  • Фильтр: Это программа, которая читает данные из stdin, преобразует их и пишет результат в stdout. grep, sort, wc, sed, awk — классические примеры фильтров.
  • Перенаправление потоков:
    • > file: Перенаправить stdout в file (файл будет перезаписан).
    • >> file: Добавить stdout в конец file.
    • < file: Взять stdin из file вместо клавиатуры.
    • 2> file: Перенаправить stderr в file.
  • Конвейер (Pipe, |): Самый мощный механизм. Он соединяет stdout одной команды с stdin следующей, позволяя строить цепочки команд-фильтров.
    • Пример: cat messages.txt | grep "error" | sort — эта команда сначала выводит содержимое файла messages.txt в stdout, который по конвейеру передается в stdin команды grep. grep отбирает строки со словом “error” и пишет их в свой stdout, который, в свою очередь, передается в stdin команды sort, которая сортирует строки и выводит финальный результат на терминал.

8. Операционная система Unix – основные команды, права файлов и способы их задания.

Основные команды

  • ls: Показать содержимое каталога.
  • cd: Сменить текущий каталог.
  • pwd: Показать текущий рабочий каталог.
  • mkdir: Создать каталог.
  • rmdir: Удалить пустой каталог.
  • rm: Удалить файл или каталог (rm -r для рекурсивного удаления).
  • cp: Скопировать файл или каталог.
  • mv: Переместить или переименовать файл/каталог.
  • cat: Вывести содержимое файла.
  • touch: Создать пустой файл или обновить время модификации существующего.
  • chmod: Изменить права доступа к файлу.
  • grep: Поиск по шаблону (регулярному выражению) в файле.
  • sort: Сортировка строк.
  • head/tail: Показать первые/последние строки файла.

Права доступа к файлам

Права определяют, кто и что может делать с файлом. Вывод ls -la показывает их в виде строки из 10 символов (например, -rwxr-xr--). * 1-й символ: Тип файла (- - обычный файл, d - каталог, l - символическая ссылка). * Символы 2-4: Права для владельца файла (u - user). * Символы 5-7: Права для группы (g - group). * Символы 8-10: Права для всех остальных (o - others).

Каждая тройка состоит из прав: * r (read) - чтение. * w (write) - запись/модификация. * x (execute) - исполнение (для файлов) или вход (для каталогов).

Способы задания прав (команда chmod)

  1. Символьный (Symbolic): Использует буквы u, g, o, a (all) и знаки +, -, =.
    • chmod u+x file: Добавить право на исполнение для владельца.
    • chmod go-w file: Убрать право на запись у группы и остальных.
    • chmod a=r file: Установить для всех только право на чтение.
  2. Восьмеричный (Octal): Каждая тройка прав представляется одной восьмеричной цифрой.
    • r=4, w=2, x=1.
    • rwx = 4+2+1 = 7
    • r-x = 4+0+1 = 5
    • rw- = 4+2+0 = 6
    • Пример: chmod 754 file установит права rwxr-xr--.

9. Состав и структура БЭВМ. Адресные пространства БЭВМ. Система команд БЭВМ, форматы команд. Машинные циклы.

Состав и структура БЭВМ

БЭВМ — это 16-разрядная ЭВМ аккумуляторного типа с Гарвардской архитектурой (хотя в лекциях упоминается и фон Нейман, но разделение памяти и I/O ближе к Гарвардской).

  • Процессор (CPU):
    • Регистры:
      • AC (Аккумулятор, 16 бит): Основной рабочий регистр для арифметических операций.
      • BR (Буферный регистр, 16 бит): Вспомогательный регистр для временного хранения данных.
      • PS (Регистр состояния, 16 бит): Хранит флаги NZVC и управляющие биты.
      • IP (Счетчик команд, 11 бит): Хранит адрес следующей исполняемой команды.
      • AR (Регистр адреса, 11 бит): Хранит адрес ячейки памяти для текущего обращения.
      • DR (Регистр данных, 16 бит): Буфер для обмена данными с памятью.
      • CR (Регистр команд, 16 бит): Хранит код текущей исполняемой команды.
      • SP (Указатель стека, 11 бит): Хранит адрес вершины стека.
      • IR (Клавишный регистр, 16 бит): Регистр для ввода данных с пульта оператора.
    • АЛУ и Коммутатор: Выполняют операции и управляют потоками данных.
    • Устройство управления (УУ/МПУ): Интерпретирует команды и генерирует управляющие сигналы.
  • Память (RAM): 2048 16-битных ячеек (слов).
  • Пульт оператора: Средство для ручного взаимодействия с БЭВМ.

Адресные пространства

В БЭВМ существует два основных адресных пространства: 1. Пространство памяти: 2048 16-битных ячеек, адресуемых 11-битным адресом. 2. Пространство ввода-вывода: 256 8-битных регистров внешних устройств (контроллеров), адресуемых 8-битным номером регистра, который указывается в командах ввода-вывода.

Система и форматы команд

Команды 16-битные. Формат зависит от типа: * Безадресные: Старшие 4 бита (КОП) = 0000. Младшие биты — расширение кода операции. * Адресные: Имеют сложный формат, включающий КОП, режим адресации и смещение/адрес. * Команды ветвления: КОП = 1111. Младшие биты — смещение для перехода. * Команды ввода-вывода: КОП = 0001. Часть битов кодирует приказ, часть — номер регистра ВУ.

Машинные циклы

Это последовательность шагов, которые УУ выполняет для исполнения одной команды. 1. Цикл выборки команды (IF): Загрузка кода команды из памяти (по адресу в IP) в регистр CR и инкремент IP. 2. Цикл выборки адреса (AF): Вычисление эффективного адреса операнда на основе режима адресации. 3. Цикл выборки операнда (OF): Загрузка операнда из памяти (по вычисленному адресу) в регистр DR. 4. Цикл исполнения (EX): Непосредственное выполнение операции, заданной командой. 5. Цикл прерывания (INT): Проверка наличия запросов на прерывание и, если есть, передача управления на обработчик прерывания.

Диаграмма состояний машинных циклов.

10. Организация вычислений в БЭВМ. Сдвиги, арифметические и логические операции. Цикл выборки команды.

Организация вычислений

Все вычисления происходят с использованием аккумулятора (AC). Типичная последовательность: 1. Загрузить первый операнд из памяти в AC (LD). 2. Выполнить операцию (например, ADD), используя значение в AC и второй операнд из памяти. Результат помещается в AC. 3. Сохранить результат из AC в память (ST).

Сдвиги, арифметические и логические операции

  • Логические: AND, OR (побитовые), NOT (инверсия AC).
  • Арифметические: ADD (сложение), ADC (сложение с переносом, для длинной арифметики), SUB (вычитание), INC/DEC (инкремент/декремент AC), NEG (изменение знака, NOT AC + 1).
  • Сдвиги:
    • ASL/ASR: Арифметический сдвиг влево/вправо. ASL равносильно умножению на 2, ASR — делению на 2 со знаком.
    • ROL/ROR: Циклический сдвиг через флаг переноса C. Все 17 бит (16 от AC и 1 от C) сдвигаются как кольцо.

Цикл выборки команды (IF) - подробно

Этот цикл состоит из трех микрокоманд (тактов): 1. Такт 1: IP → BR, AR. Адрес текущей команды из IP копируется в регистр адреса AR (для чтения из памяти) и в буферный регистр BR (для последующего инкремента). 2. Такт 2: MEM(AR) → DR, BR + 1 → IP. Одновременно происходит две операции: из памяти по адресу в AR считывается код команды в DR, и в IP записывается адрес следующей команды (BR+1). 3. Такт 3: DR → CR. Код команды из DR переписывается в регистр команд CR для дальнейшего декодирования устройством управления.

11. Организация массивов данных. Режимы адресации. Цикл выборки адреса и операнда БЭВМ.

Организация массивов

Массив в БЭВМ — это просто непрерывный блок ячеек памяти. Программист сам отвечает за организацию доступа к элементам, обычно используя один из регистров в качестве указателя на текущий элемент массива.

Режимы адресации

Режим адресации определяет, как процессор находит операнд для команды.

  • Прямая абсолютная ($L): В команде указан полный 11-битный адрес операнда. Цикл AF не нужен.
  • Прямая относительная (L): В команде указано 8-битное смещение. Адрес операнда вычисляется как IP + смещение.
  • Косвенная ((L)): Адрес, вычисленный как в прямом режиме, указывает не на операнд, а на ячейку, в которой хранится адрес операнда (указатель). Требует дополнительного обращения к памяти.
  • Автоинкрементная ((L)+): Косвенный режим, при котором после использования указателя его значение в памяти автоматически увеличивается на 1. Идеально для последовательной обработки массивов.
  • Автодекрементная (-(L)): Косвенный режим, при котором значение указателя сначала уменьшается на 1, а затем используется.
  • Непосредственная (#N): Операнд является частью самой команды. Циклы AF и OF не нужны.

Циклы выборки адреса (AF) и операнда (OF)

Эти циклы выполняются после цикла IF для команд с относительной или косвенной адресацией.

  • Цикл AF: Вычисляет эффективный адрес операнда. Для относительной адресации это IP + смещение. Результат помещается в AR.
  • Цикл OF: Считывает данные по адресу из AR. Для прямой адресации — это сам операнд. Для косвенной — это адрес операнда, который снова помещается в AR для еще одного чтения.

12. Управление вычислительным процессом в БЭВМ. Команды ветвлений, цикл исполнения команды LOOP.

Управление вычислительным процессом

Осуществляется с помощью команд условного и безусловного переходов, которые изменяют содержимое счетчика команд IP.

  • Безусловный переход (JUMP, BR): Просто загружает в IP новый адрес.
  • Условный переход: Изменяет IP только если выполнено некоторое условие, которое проверяется по флагам в регистре состояния PS (N, Z, V, C).
  • BEQ (Branch if Equal): переход, если Z=1 (результат предыдущей операции был 0). * BNE (Branch if Not Equal): переход, если Z=0.
  • BMI (Branch if Minus): переход, если N=1 (результат отрицательный). * BPL (Branch if Plus): переход, если N=0.
  • BCS/BCC: переход по наличию/отсутствию переноса C (для беззнаковых сравнений).
  • BVS/BVC: переход по наличию/отсутствию переполнения V.
  • BLT/BGE: переход “меньше”/“больше или равно” (для знаковых сравнений, используют комбинацию флагов N и V).

Цикл исполнения команды LOOP

LOOP — это специализированная команда для организации циклов со счетчиком. Она объединяет три действия: 1. Уменьшает на единицу значение в ячейке памяти, на которую указывает. 2. Проверяет, стал ли результат меньше или равен нулю. 3. Если результат все еще положителен, выполняет пропуск следующей за LOOP команды (обычно это JMP или BR для выхода из цикла). Если результат <= 0, пропуск не выполняется, и программа выходит из цикла.

Цикл исполнения LOOP: 1. Выполняются циклы IF, AF, OF, чтобы загрузить значение счетчика в DR. 2. Содержимое DR уменьшается на 1. Микропрограмма для этого использует трюк ~0 + DR, где ~0 это 0xFFFF или -1. 3. Результат (DR-1) записывается обратно в память и одновременно в BR. 4. Проверяется знаковый бит BR(15). Если он 0 (число положительное), то IP инкрементируется, пропуская следующую команду. 5. Если знаковый бит 1 (число <= 0), IP не меняется, и выполняется следующая команда (выход из цикла).

13. Подпрограммы в БЭВМ. Цикл исполнения команд перехода и возврата из подпрограммы. Стек, передача параметров. Позиционно-независимый код. Загрузчик и библиотеки.

Подпрограммы и стек

  • Подпрограмма: Именованный блок кода, который можно вызывать из разных мест основной программы для выполнения повторяющихся действий.
  • Вызов (CALL): Команда CALL сохраняет адрес возврата (адрес следующей за CALL команды) в специальную область памяти — стек — и передает управление на начало подпрограммы.
  • Возврат (RET): Команда RET извлекает адрес возврата с вершины стека и загружает его в счетчик команд IP, возвращая управление в основную программу.
  • Стек (Stack): Область памяти, работающая по принципу LIFO (Last-In, First-Out). Управляется указателем стека SP.
    • PUSH: Поместить значение в стек. SP сначала уменьшается, затем по адресу в SP происходит запись.
    • POP: Извлечь значение из стека. Сначала происходит чтение по адресу в SP, затем SP увеличивается.

Передача параметров в подпрограмму

  • Через регистры: Самый быстрый способ. В БЭВМ для этого можно использовать аккумулятор AC (можно передать до 16 однобитных флагов или одно 16-битное число) и флаг переноса C.
  • Через ячейки памяти: Параметры размещаются в заранее известных ячейках памяти. Медленнее, но позволяет передать много данных.
  • Через стек: Самый гибкий и распространенный способ. Перед вызовом CALL параметры помещаются в стек командами PUSH. Внутри подпрограммы к ним можно получить доступ, используя адресацию со смещением относительно SP.

Позиционно-независимый код (PIC)

Это код, который может быть загружен в любое место памяти и будет корректно работать. * Принцип: Все внутренние переходы и обращения к данным внутри модуля используют относительную адресацию (относительно IP). * Внешние ссылки (на библиотеки, ядро) должны быть абсолютными, и их адреса разрешаются на этапе загрузки. * В БЭВМ: Наличие режимов относительной адресации позволяет писать позиционно-независимый код.

Загрузчик и библиотеки

  • Загрузчик (Loader): Компонент ОС, который загружает исполняемый файл программы в память, настраивает ее адресное пространство и передает ей управление.
  • Линковщик (Linker): Связывает код программы с кодом из библиотек.
  • Библиотеки: Наборы готовых функций.
    • Статические: Код библиотечных функций полностью копируется в исполняемый файл на этапе компиляции.
    • Динамические (разделяемые, .so, .dll): Код библиотеки не копируется. В исполняемый файл помещаются только ссылки. Библиотека загружается в память один раз при запуске программы (или по требованию) и может использоваться несколькими программами одновременно. Это экономит память и позволяет обновлять библиотеки без перекомпиляции программ.

14. Организация ввода-вывода в вычислительных системах. Инициация обмена, передача информации и завершение обмена. Драйверы.

Общая организация ввода-вывода (I/O)

Взаимодействие CPU с внешними устройствами (ВУ) происходит не напрямую, а через контроллеры. * Контроллер: Специализированное электронное устройство, которое управляет работой одного или нескольких ВУ и предоставляет процессору стандартизированный интерфейс для обмена данными (набор регистров). * Драйвер: Программный модуль (часть ОС), который “знает”, как работать с регистрами конкретного контроллера, чтобы управлять устройством. Он предоставляет программам более высокий уровень абстракции (например, read, write).

Этапы обмена информацией

  1. Инициация обмена: Процесс “договоренности” о начале обмена. Может быть:
    • Синхронная: Обмен начинается в заранее определенный момент времени (например, по таймеру).
    • Асинхронная: Обмен начинается по готовности. Процессор постоянно опрашивает флаг готовности устройства в цикле (spin-loop), что неэффективно тратит его время.
    • Управляемая прерываниями: Наиболее эффективный способ. Устройство само сигнализирует процессору о своей готовности, посылая аппаратный сигнал прерывания.
  2. Передача информации: Непосредственный обмен данными между регистрами контроллера и памятью/регистрами процессора.
  3. Завершение обмена: Приведение устройства и контроллера в исходное состояние для следующего обмена.

15. Организация ввода-вывода в БЭВМ. Устройства ввода-вывода, команды.

В БЭВМ I/O организован через программно-управляемый ввод-вывод с отдельным адресным пространством для регистров ВУ.

Устройства ввода-вывода (ВУ)

БЭВМ эмулирует ряд устройств, каждое из которых управляется своим контроллером (КВУ):

  • ВУ-0: Таймер.
  • ВУ-1/2: Простейшие устройства вывода/ввода с кнопкой “Готов”.
  • ВУ-3/4: Комбинированные устройства ввода-вывода.
  • ВУ-5: Текстовый принтер.
  • ВУ-6: Бегущая строка.
  • ВУ-7: 7-сегментный индикатор.
  • ВУ-8/9: Клавиатура и цифровой NumPad.

Каждый контроллер имеет как минимум регистр данных (РДВУ) и регистр состояния (РСВУ), в котором 6-й бит (0x40) обычно является флагом готовности.

Команды ввода-вывода

  • IN REG: Чтение данных из регистра ВУ с номером REG в младший байт аккумулятора.
  • OUT REG: Запись данных из младшего байта аккумулятора в регистр ВУ с номером REG.
  • DI / EI: Запретить / Разрешить прерывания глобально.
  • IRET: Возврат из обработчика прерывания.

16. Организация асинхронного обмена в БЭВМ. Пример программы. Временные издержки асинхронного обмена.

Асинхронный обмен в БЭВМ (с опросом)

Это базовый способ обмена, когда процессор активно ждет готовности устройства.

Пример программы (ввод символа с ВУ-2): 

WAIT:
    IN   5       ; Читаем регистр состояния SR#5 (ВУ-2)
    AND  #0x40   ; Оставляем только 6-й бит (готовность)
    BEQ  WAIT    ; Если бит 0 (не готов), повторяем цикл

    IN   4       ; Если готов, читаем данные из DR#4

Временные издержки: Основная проблема — цикл ожидания (spin-loop). Пока процессор крутится в этом цикле, он не может выполнять никакой другой полезной работы. Если устройство медленное (например, пользователь долго не нажимает клавишу), процессорное время тратится впустую. Это крайне неэффективно.

17. Организация прерываний в БЭВМ. Вектора прерываний, контроллер прерывания.

Для решения проблемы spin-loop’ов используются прерывания. * Принцип: ВУ, будучи готовым к обмену, само посылает процессору сигнал запроса на прерывание (Interrupt Request, IntRq). Процессор, завершив текущую команду, приостанавливает основную программу и переходит к выполнению специальной подпрограммы — обработчика прерывания.

  • Вектор прерывания: Чтобы процессор знал, на какую подпрограмму переходить для какого устройства, используется таблица векторов прерываний. Это заранее определенная область памяти (в БЭВМ — ячейки 0x0 - 0xF), где для каждого номера прерывания хранятся две величины:
    1. Адрес подпрограммы-обработчика.
    2. Новое значение регистра состояния (PS), с которым будет работать обработчик.
  • Контроллер прерывания: Логика в контроллере ВУ, которая:
    1. Формирует сигнал IntRq при наступлении события (например, нажатие кнопки “Готов”).
    2. Хранит номер вектора прерывания, который он должен выдать.
    3. Участвует в определении приоритета. В БЭВМ используется цепочечная схема (daisy-chain): сигнал предоставления прерывания идет от процессора последовательно через все контроллеры. Первый в цепочке, кто запросил прерывание, “перехватывает” этот сигнал и не пропускает его дальше, тем самым получая наивысший приоритет.

Схема распространения сигнала предоставления прерывания.

18. Организация обмена по прерыванию программы в БЭВМ. Пример программы. Цикл прерывания.

Пример программы с прерываниями

Программа состоит из двух частей: 1. Блок инициализации: * Заполнить таблицу векторов прерываний адресами обработчиков (ORG 0x0 ...). * Запретить прерывания (DI). * Настроить контроллеры: записать в их регистры управления (MR) номер вектора и бит разрешения прерывания для данного контроллера. * Разрешить прерывания глобально (EI). 2. Основная программа: Выполняет свою работу, не обращая внимания на ввод-вывод. 3. Обработчики прерываний: Подпрограммы, которые выполняют обмен с ВУ. Типичный обработчик: * Сохранить состояние (например, PUSH AC), т.к. основная программа могла использовать аккумулятор. * Выполнить обмен данными с ВУ (IN/OUT). * Восстановить состояние (POP AC). * Вернуться из прерывания (IRET).

Цикл прерывания (INT)

Это машинный цикл, который выполняется, если обнаружен активный запрос на прерывание. 1. Проверяются флаги (работа/останов, разрешены ли прерывания). 2. Формируется сигнал предоставления прерывания (IntSC). 3. Процессор ожидает от контроллера номер вектора на шине. 4. Текущие IP и PS сохраняются в стеке. 5. Из таблицы векторов по полученному номеру загружаются новые IP (адрес обработчика) и PS. 6. Происходит переход к выполнению обработчика прерывания.

19. Понятие многоуровневой ЭВМ. Понятие и пример программы на разных уровнях.

Концепция многоуровневой ЭВМ заключается в том, что современный компьютер можно рассматривать как иерархию виртуальных машин. Каждый уровень этой иерархии предоставляет определенный набор инструкций и объектов, скрывая сложность нижележащих уровней. Программы, написанные на одном уровне, транслируются (компилируются) или интерпретируются в команды нижележащего уровня.

Иерархия уровней абстракции в ЭВМ.

Уровни (сверху вниз):

  1. Уровень программных систем (специальный язык): Самый близкий к человеку. Пользователь взаимодействует с компьютером в терминах предметной области, а не программирования.
    • Пример: Ввод формулы =A1+B1 в Excel. Человек оперирует ячейками и математическими операциями, а не переменными и инструкциями.
  2. Уровень проблемно-ориентированных (алгоритмических) языков: Уровень языков высокого уровня (C++, Java, Python). Программист описывает алгоритм решения задачи.

    • Пример программы (=A1+B1):

      int a = read_cell("A1");
int b = read_cell("B1");
int result = a + b;
write_cell("C1", result);
  3. Уровень языка Ассемблера: Низкоуровневый язык, где команды напрямую соответствуют машинным инструкциям процессора. Вместо сложных конструкций используются простые мнемоники команд и символические имена для адресов (метки).

    • Пример программы (фрагмент):

      LD   A1_ADDR   ; Загрузить значение из ячейки A1 в аккумулятор
ADD  B1_ADDR   ; Сложить со значением из ячейки B1
ST   C1_ADDR   ; Сохранить результат в ячейку C1
  4. Уровень машинных команд (архитектура набора команд, ISA): Уровень, который “понимает” процессор. Программы представлены в виде последовательности двоичных кодов команд.
    • Пример программы: 0xA017 (LD 0x17) 0x4018 (ADD 0x18) 0xE019 (ST 0x19)
  5. Микропрограммный уровень: Внутренний уровень устройства управления. Каждая машинная команда исполняется как последовательность еще более простых шагов — микрокоманд. Каждая микрокоманда соответствует открытию/закрытию определенных вентилей, управляющих потоками данных между регистрами и АЛУ.
    • Пример (часть исполнения ADD):
      • Микрокоманда 1: Открыть вентили RDAC и RDDR (подать AC и DR на АЛУ).
      • Микрокоманда 2: Открыть вентиль WRAC (записать результат из АЛУ в AC).

Эта многоуровневая структура позволяет абстрагироваться от сложности аппаратуры и разрабатывать программы на удобном уровне.

20. Микропрограммный уровень БЭВМ. Структура МПУ. Форматы микрокоманд.

Структура Микропрограммного Устройства Управления (МПУ)

МПУ в БЭВМ — это, по сути, “процессор внутри процессора”, который исполняет не машинные команды, а микрокоманды. Его задача — интерпретировать код машинной команды (из регистра CR) и сгенерировать правильную последовательность управляющих сигналов (открытия/закрытия вентилей) для ее выполнения.

  • Память микрокоманд: ПЗУ, в котором хранится микропрограмма (интерпретатор). В БЭВМ это 256 ячеек по 40 бит.
  • Счетчик микрокоманд (СчМК): Аналог IP, указывает на адрес следующей микрокоманды.
  • Регистр микрокоманд (РМК): Аналог CR, хранит текущую исполняемую микрокоманду.
  • Схема управления: Декодирует части микрокоманды и формирует управляющие сигналы.

Форматы микрокоманд в БЭВМ

В БЭВМ используется горизонтальное микропрограммирование: каждый бит в микрокоманде (или небольшая группа битов) напрямую управляет своим вентилем или блоком. Это обеспечивает максимальный параллелизм, но приводит к длинным микрокомандам (40 бит). Существует два типа микрокоманд, которые различаются по 39-му биту:

  1. Операционная микрокоманда (ОМК, бит 39 = 0):
    • Назначение: Выполнение операций с данными — пересылки между регистрами, операции в АЛУ, работа с памятью.
    • Структура: Представляет собой набор полей (групп битов), каждое из которых управляет своим блоком:
      • Биты 0-7: Чтение из регистров (RDAC, RDDR и т.д.).
      • Биты 8-11: Управление АЛУ (COML, COMR, PLS1, SORA).
      • Биты 12-23: Управление коммутатором и установкой флагов.
      • Биты 24-31: Запись в регистры (WRAC, WRBR и т.д.).
      • Биты 32-35: Управление памятью и вводом-выводом.
      • Бит 38: HALT (останов).
  2. Управляющая микрокоманда (УМК, бит 39 = 1):
    • Назначение: Анализ состояния регистров и выполнение условных/безусловных переходов внутри микропрограммы. Это необходимо для декодирования машинных команд.
    • Структура:
      • Часть полей совпадает с ОМК (чтение из регистров, управление АЛУ).
      • Поле ADDR (24-31): Адрес перехода внутри микропрограммы.
      • Поле BIT (16-23): Выбор бита для проверки.
      • Поле COMP (32): С чем сравнивать выбранный бит (с 0 или 1).
      • Принцип работы: Если (значение_выбранного_бита) == COMP, то в СчМК загружается адрес из поля ADDR (происходит переход). Иначе — выполняется следующая по порядку микрокоманда.

21. Структура и принципы работы арифметико-логического устройства и коммутатора. Регистр состояния БЭВМ.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

АЛУ выполняет все арифметические и логические операции.

  • Структура: * Два 16-битных входа: левый и правый.
  • Инверторы на входах: Позволяют инвертировать (получить обратный код) каждый из операндов по отдельности. Управляются сигналами COML и COMR.
  • Основной блок: Состоит из двух параллельно работающих схем:

1. 16-разрядный сумматор, который может складывать операнды и добавлять единицу (сигнал PLS1). Используется для сложения, вычитания (A + ~B + 1), инкремента (A + 0 + 1) и т.д. 2. Схема логического умножения (И). * Выбор операции: Сигнал SORA (Sum OR And) выбирает, результат какой схемы (суммы или И) пойдет на выход.

  • Принцип работы: На входы АЛУ подаются операнды. Управляющие сигналы (COML, COMR, PLS1, SORA) настраивают АЛУ на нужную операцию. Результат операции поступает на коммутатор.

Коммутатор

Коммутатор — это блок, который выполняет сдвиги и перестановку байт в слове, полученном от АЛУ.

  • Операции:

* Прямая передача: LTOL (Low to Low), HTOH (High to High) — передача младшего/старшего байта без изменений. * Обмен байт: LTOH, HTOL — младший и старший байты меняются местами (аналог команды SWAB). * Сдвиги: SHLT/SHRT (арифметические), SHLO/SHRF (циклические). * Расширение знака (SEXT): 7-й бит (знак младшего байта) копируется во все биты старшего байта.

Регистр состояния (PS)

Хранит флаги и управляющие биты. * Флаги NZVC (биты 0-3): Отражают результат последней операции. Устанавливаются сигналами SETC, SETV, STNZ. * Управляющие биты: * EI (бит 5): Глобальное разрешение прерываний. * INT (бит 6): Флаг запроса на прерывание от устройства. * W (бит 7): Состояние тумблера РАБОТА/ОСТАНОВ. * P (бит 8): Флаг работы программы (влияет на тактовый генератор).

22. Микропрограммное управление вентильными схемами. Схема управления. Интерпретатор БЭВМ.

Микропрограммное управление

Это процесс управления потоками данных в процессоре путем последовательной подачи сигналов на управляющие входы вентилей. Эти последовательности сигналов и есть микропрограмма.

Пример микрооперации DR → AC: Чтобы переслать данные из регистра данных (DR) в аккумулятор (AC), МПУ должно в одном такте выполнить следующую микрокоманду: 1. Установить в 1 бит, соответствующий вентилю чтения из DR (RDDR). 2. Установить в 1 бит, соответствующий вентилю записи в AC (WRAC). 3. Все остальные биты, управляющие вентилями, установить в 0.

В результате данные с выхода DR по шине поступят на вход AC, и по сигналу записи WRAC запишутся в аккумулятор.

Интерпретатор БЭВМ

Это полная микропрограмма, хранящаяся в памяти МПУ. Он реализует логику всех машинных циклов (IF, AF, OF, EX, INT). * Структура: Интерпретатор представляет собой большую таблицу, где каждой машинной команде соответствует своя последовательность (ветка) микрокоманд. * Принцип работы: 1. Начинается с цикла выборки команды (IF), который одинаков для всех. 2. После того как код команды оказывается в CR, начинается декодирование. Это серия условных переходов (УМК), которые проверяют биты в CR и направляют выполнение по нужной ветке микропрограммы. 3. Выполняется ветка, соответствующая данной команде (циклы AF, OF, EX). 4. В конце каждой ветки происходит безусловный переход на цикл прерывания (INT), а оттуда — обратно на начало, к циклу выборки следующей команды.

23. Архитектура ЭВМ. Гарвардская и фон-Неймановская архитектура. Организация обмена архитектуры ЭВМ с использованием шин.

  • Архитектура фон Неймана:
    • Основной принцип: Принцип хранимой программы. И команды, и данные хранятся в единой общей памяти.
    • Обмен: Процессор обменивается с памятью по общей системной шине.
    • Недостаток: “Бутылочное горлышко фон Неймана” — общая шина ограничивает производительность, так как процессор не может одновременно читать команду и данные.
    • Применение: Большинство современных компьютеров общего назначения (десктопы, серверы).
  • Гарвардская архитектура:
    • Основной принцип: Физическое разделение памяти на память команд и память данных.
    • Обмен: Используются две независимые шины для доступа к каждой из памятей.
    • Преимущество: Процессор может одновременно выбирать следующую команду и работать с данными из предыдущей, что значительно повышает производительность (основа конвейерной обработки).
    • Применение: Цифровые сигнальные процессоры (DSP), микроконтроллеры, кэш-память современных процессоров (где кэш инструкций L1 и кэш данных L1 разделены).

БЭВМ имеет черты Гарвардской архитектуры, так как у нее разделены адресные пространства для памяти и для устройств ввода-вывода, что позволяет вести обмен с ними параллельно.

24. Архитектура многопроцессорных ЭВМ. Системный коммутатор. Архитектуры UMA и NUMA.

Многопроцессорные системы

Системы, содержащие несколько центральных процессоров (CPU).

  • UMA (Uniform Memory Access - Равномерный доступ к памяти):
    • Принцип: Все процессоры имеют одинаковый по времени и логике доступ ко всей общей оперативной памяти. Память логически является единым целым.
    • Реализация: Процессоры и память подключаются к общей системной шине или к более сложному устройству — системному коммутатору (Crossbar Switch). Коммутатор позволяет устанавливать одновременные соединения между несколькими парами “процессор-память”, в отличие от шины, которая в один момент времени может обслуживать только одну передачу.
    • Применение: Системы с небольшим числом процессоров (типичные многоядерные десктопы).
  • NUMA (Non-Uniform Memory Access - Неравномерный доступ к памяти):
    • Принцип: Память физически распределена по узлам (node). Каждый узел содержит один или несколько процессоров и свой банк “локальной” памяти.
    • Доступ: Процессор имеет очень быстрый доступ к своей локальной памяти и более медленный — к памяти других узлов (удаленной памяти) через высокоскоростное межсоединение (например, Crossbar).
    • Преимущество: Отличная масштабируемость. Позволяет строить системы с сотнями и тысячами процессоров.
    • Недостаток: Сложность для программиста и операционной системы, которые должны стараться размещать данные процесса в локальной памяти того узла, где он исполняется, чтобы минимизировать медленные обращения к удаленной памяти.
    • Применение: Высокопроизводительные серверы и суперкомпьютеры.

25. Структура современных процессоров. Окружение процессора. CISC, RISC, VLIW.

Структура и окружение

Современный процессор — это сложнейшая система на кристалле, включающая: * Несколько ядер, каждое из которых является полноценным CPU. * Многоуровневый кэш (L1, L2, L3). * Контроллер памяти для прямого взаимодействия с ОЗУ. * Контроллер шины (например, PCIe) для связи с периферийными устройствами. * Иногда встроенное графическое ядро. * MMU (блок управления памятью).

Классификация архитектур набора команд (ISA)

  • CISC (Complex Instruction Set Computer):
    • Идея: Иметь большой набор мощных, сложных команд, каждая из которых выполняет несколько низкоуровневых действий (например, LOOP в БЭВМ). Цель — сократить разрыв между языками высокого уровня и машинными командами.
    • Характеристики: Много режимов адресации, команды переменной длины.
    • Проблема: Сложность декодирования команд мешает эффективной конвейеризации.
    • Пример: Архитектура Intel x86. (Хотя современные x86 процессоры внутри являются RISC-подобными: они декодируют сложные CISC-команды в последовательность простых внутренних микроопераций).
  • RISC (Reduced Instruction Set Computer):
    • Идея: Противоположная CISC. Набор команд должен быть маленьким, простым и фиксированной длины. Каждая команда выполняется за один такт.
    • Характеристики: Большое количество регистров общего назначения, операции типа “load-store” (арифметические операции работают только с регистрами, для работы с памятью есть отдельные команды загрузки/сохранения).
    • Преимущество: Простота декодирования и идеальная приспособленность для конвейерной обработки, что дает высокую производительность.
    • Примеры: ARM, SPARC, MIPS, RISC-V.
  • VLIW (Very Long Instruction Word):
    • Идея: Упаковать в одну очень длинную машинную команду несколько независимых простых операций, которые могут быть выполнены параллельно на разных исполнительных устройствах процессора.
    • Отличие от суперскалярных RISC: В RISC процессор сам находит независимые инструкции для параллельного выполнения. В VLIW эта задача полностью ложится на компилятор. Компилятор анализирует код и формирует эти “пакеты” операций.
    • Преимущество: Упрощение аппаратной части процессора.
    • Недостаток: Сложность компилятора, сильная зависимость производительности от его качества.
    • Пример: Процессоры “Эльбрус”.

26. Адресуемая память, организация и временные диаграммы. Конструктивные особенности современной памяти.

Организация адресуемой памяти

Адресуемая память — это тип памяти, где каждая ячейка (или слово) имеет уникальный числовой адрес. Процессор получает доступ к данным, выставляя нужный адрес на шину адреса.

Структура (на примере БЭВМ): 1. Дешифратор адреса: Это основная схема, которая преобразует двоичный адрес, пришедший из регистра адреса (AR), в сигнал на одной-единственной линии, которая активирует нужную строку ячеек памяти. 2. Массив ячеек памяти: Двумерный массив элементов хранения (в БЭВМ 2048 строк по 16 бит). 3. Усилители и мультиплексоры: При чтении усиливают слабый сигнал от ячеек памяти и направляют его на шину данных. При записи направляют данные с шины в выбранную строку ячеек.

Временные диаграммы

Диаграммы показывают, как сигналы на шинах (адреса, данных, управления) изменяются во времени в течение одного цикла обмена с памятью.

  • Цикл чтения:
    1. Процессор выставляет адрес на шину адреса.
    2. Процессор выставляет сигнал “Чтение” на шину управления.
    3. Через некоторое время (время доступа, Тд), память выставляет считанные данные на шину данных.
    4. Память выставляет сигнал “Готовность”, сообщая процессору, что данные на шине валидны.
    5. Процессор считывает данные и снимает сигналы. Памяти нужно время восстановления (Тв) перед следующим циклом.
  • Цикл записи:
    1. Процессор выставляет адрес на шину адреса.
    2. Процессор выставляет данные для записи на шину данных.
    3. Процессор выставляет сигнал “Запись” на шину управления.
    4. Память записывает данные и выставляет сигнал “Готовность”.
    5. Процессор снимает сигналы.

Конструктивные особенности современной памяти (DDR SDRAM)

  • Синхронная работа: Обмен данными синхронизирован с тактовым генератором системной шины, что позволяет точно прогнозировать время ответа.
  • DDR (Double Data Rate): Данные передаются дважды за один такт — и по переднему фронту (нарастанию) сигнала, и по заднему (спаду), что эффективно удваивает скорость передачи.
  • Burst Mode (Пакетный режим): Вместо того чтобы передавать адрес для каждого слова, передается только начальный адрес, а затем несколько слов подряд (пакет) передаются на высокой скорости. Это эффективно для кэш-памяти, которая всегда запрашивает целую строку (cache line).
  • Interleaving (Расслоение памяти): Память физически разделена на несколько независимых банков. Пока один банк завершает операцию, процессор может начать операцию с другим банком, что скрывает задержки и повышает общую пропускную способность.
  • SPD (Serial Presence Detect): Небольшой чип ПЗУ на модуле памяти, который хранит информацию о характеристиках модуля (частота, тайминги, объем). BIOS считывает эти данные при старте компьютера для автоматической настройки.

27. Память, ориентированная на записи (блочная память). Организация дисковой памяти и памяти на магнитных лентах.

Этот тип памяти характеризуется тем, что доступ к данным происходит не побайтно, а большими блоками (записями). Это связано с механической природой таких устройств.

Дисковая память (Жесткие диски, HDD)

  • Структура: Состоит из нескольких вращающихся магнитных дисков (“блинов”). Данные записываются на концентрические дорожки (tracks). Каждая дорожка разбита на секторы (обычно по 512 байт или 4 КБ). Совокупность дорожек с одинаковым номером на всех поверхностях называется цилиндром.
  • Доступ: Осуществляется с помощью блока магнитных головок, который перемещается над поверхностью дисков. Время доступа складывается из трех компонентов:
    1. Время позиционирования (Tпоз): Время перемещения головок к нужному цилиндру. Самая медленная часть.
    2. Время вращательного ожидания (Tвр): Время ожидания, пока нужный сектор подойдет под головку. В среднем — половина оборота диска.
    3. Время передачи: Непосредственно чтение/запись данных сектора.
  • Особенности: Прямой (блочный) доступ. Можно обратиться к любому блоку по его адресу (цилиндр, головка, сектор), но это медленно из-за механики.

Память на магнитных лентах (стримеры)

  • Структура: Магнитная лента, намотанная на катушки.
  • Доступ: Последовательный (sequential). Чтобы прочитать данные в середине ленты, нужно перемотать всю ленту с начала до этого места.
  • Применение: Из-за очень медленного доступа используется в основном для долгосрочного архивного хранения и резервного копирования больших объемов данных, где важна стоимость хранения и надежность, а не скорость доступа.

28. Характеристики запоминающих устройств. Пирамида памяти.

Основные характеристики

  • Месторасположение: Процессорные (регистры), внутренние (ОЗУ, кэш), внешние (диски, ленты).
  • Емкость: Объем данных, который может хранить устройство (байты, килобайты, гигабайты и т.д.).
  • Единица пересылки: Минимальный объем данных, которым можно обменяться за одну операцию (слово для ОЗУ, строка для кэша, блок/сектор для диска).
  • Метод доступа: Произвольный (RAM), прямой (диск), последовательный (лента), ассоциативный (кэш).
  • Быстродействие: Определяется временем доступа (от запроса до получения первого бита) и скоростью передачи.
  • Физический тип: Полупроводниковая (SRAM, DRAM), магнитная (диски, ленты), оптическая.
  • Стоимость: Цена за бит хранения.

Пирамида памяти

Это иерархическая модель организации памяти в компьютере, которая отражает компромисс между скоростью, объемом и стоимостью. * Вершина пирамиды: * Устройства: Регистры процессора, кэш-память (L1, L2, L3). * Характеристики: Очень высокая скорость, малый объем, очень высокая стоимость. * Середина пирамиды: * Устройства: Основная память (ОЗУ), твердотельные накопители (SSD). * Характеристики: Средняя скорость, большой объем, средняя стоимость. * Основание пирамиды: * Устройства: Жесткие диски (HDD), магнитные ленты. * Характеристики: Низкая скорость, огромный объем, очень низкая стоимость.

Принцип работы: Часто используемые данные и команды автоматически копируются с медленных нижних уровней на быстрые верхние (например, из ОЗУ в кэш). Когда процессору нужны данные, он сначала ищет их на самом быстром уровне (L1 кэш). Если находит (попадание, hit), доступ происходит очень быстро. Если не находит (промах, miss), он ищет на следующем, более медленном уровне, и так далее. Эффективность такой системы основана на принципе локальности ссылок: если программа обратилась к ячейке памяти, то с большой вероятностью она скоро обратится к ней или к соседним ячейкам снова.

29. Ассоциативная память, Кэш-память. Влияние промахов кэш-памяти на производительность.

Ассоциативная память

Это особый тип памяти, доступ к которой осуществляется не по адресу, а по содержимому. При поиске в ассоциативную память подается искомое значение (ключ), и память мгновенно возвращает связанные с ним данные, если такой ключ найден. Она аппаратно очень сложна и дорога, поэтому используется для небольших объемов, например, в TLB и для хранения тегов в кэш-памяти.

Кэш-память (Cache)

Это небольшая, но очень быстрая статическая память (SRAM), расположенная между процессором и основной (более медленной) оперативной памятью (DRAM). * Принцип работы: Кэш хранит копии наиболее часто используемых блоков данных из ОЗУ. * Структура: Память кэша разбита на строки (cache lines). Каждой строке соответствует тег, который хранится в ассоциативной памяти тегов. Тег — это часть адреса, которая однозначно идентифицирует, какой именно блок из ОЗУ сейчас находится в данной строке кэша. * Процесс доступа: 1. Процессор запрашивает данные по адресу из ОЗУ. 2. Контроллер кэша разбивает этот адрес на тег и номер строки. 3. Он одновременно ищет тег в ассоциативной памяти тегов. 4. Попадание (hit): Если тег найден, данные быстро считываются из соответствующей строки кэша и передаются процессору. 5. Промах (miss): Если тег не найден, происходит задержка. Процессор останавливается, а контроллер кэша загружает нужный блок данных из медленной ОЗУ в одну из строк кэша (возможно, вытесняя старые данные) и обновляет тег. После этого данные передаются процессору.

Влияние промахов на производительность

Производительность системы сильно зависит от доли попаданий (hit rate). * Высокий hit rate (>95%): Большинство обращений обслуживается быстрым кэшем, и среднее время доступа к памяти близко ко времени доступа к кэшу. Система работает быстро. * Низкий hit rate: Часто происходят промахи. Каждое обращение к памяти приводит к долгому циклу загрузки данных из ОЗУ, что сводит на нет преимущество от наличия кэша. Процессор простаивает, производительность резко падает. Как видно на графике из лекции, падение производительности нелинейное: снижение попаданий с 98% до 96% уже существенно замедляет систему, а при 86% попаданий производительность падает в несколько раз.

Флоу-чарт процесса обращения к кэш-памяти.

30. Предназначение и организация виртуальной памяти. Сегментно-страничная организация. Устройство управления памятью (MMU), буфер трансляции (TLB).

Предназначение виртуальной памяти

Виртуальная память — это механизм, который: 1. Изолирует адресные пространства процессов: Каждая программа работает в своем собственном виртуальном адресном пространстве (например, от 0 до 2⁶⁴-1). Она “думает”, что владеет всей памятью компьютера. Это защищает процессы друг от друга и от операционной системы. 2. Позволяет использовать больше памяти, чем физически установлено: Ненужные в данный момент части программы могут быть выгружены на диск в специальную область подкачки (swap), освобождая физическую память для других задач. 3. Упрощает управление памятью: ОС работает с единым, непрерывным виртуальным пространством для каждого процесса, не заботясь о фрагментации физической памяти.

Сегментно-страничная организация

Это доминирующий способ организации виртуальной памяти. * Сегмент: Логическая область памяти программы (сегмент кода, сегмент данных, сегмент стека). * Страница (Page): Виртуальное адресное пространство делится на блоки фиксированного размера (например, 4 КБ), называемые страницами. * Страничный кадр (Page Frame): Физическая память (ОЗУ) также делится на блоки такого же размера. * Принцип: ОС ведет для каждого процесса таблицы страниц, которые устанавливают соответствие между виртуальными страницами и физическими кадрами. Виртуальный адрес состоит из двух частей: номера виртуальной страницы и смещения внутри страницы.

Устройство управления памятью (MMU)

MMU — это аппаратный блок процессора, который на лету выполняет трансляцию виртуального адреса в физический. 1. Процессор генерирует виртуальный адрес. 2. MMU извлекает из него номер виртуальной страницы. 3. MMU обращается к таблице страниц (адрес которой хранится в специальном регистре, например, %cr3 в x86) и находит запись, соответствующую этому номеру. 4. В этой записи хранится номер физического кадра. 5. MMU конструирует физический адрес, объединяя номер физического кадра и исходное смещение внутри страницы. 6. Этот физический адрес выставляется на шину для обращения к ОЗУ.

Буфер трансляции (TLB - Translation Lookaside Buffer)

Обращение к таблицам страниц в ОЗУ для каждой трансляции адреса — это медленно. TLB — это аппаратный кэш для недавно использованных результатов трансляции. * Принцип: Это небольшая, очень быстрая ассоциативная память. Перед обращением к таблицам страниц в ОЗУ, MMU сначала ищет нужный номер виртуальной страницы в TLB. * Попадание в TLB: Если запись найдена, физический адрес получается мгновенно. * Промах в TLB: Если запись не найдена, MMU выполняет медленный поиск по таблицам страниц в ОЗУ, а результат заносит в TLB для будущего использования.

Флоу-чарт процесса трансляции виртуального адреса в физический.

31. Сетевые технологии, Понятие сети ЭВМ, классификация компьютерных сетей. Сообщение и пакет. Модель взаимодействия открытых систем.

Понятие и классификация сетей ЭВМ

  • Сеть ЭВМ — это система, состоящая из:
    • Средств вычислительной техники (СВТ): Компьютеры (узлы, хосты), которые обрабатывают информацию.
    • Средств телекоммуникаций (СТК): Каналы связи (кабели, радиоволны) и сетевое оборудование (коммутаторы, маршрутизаторы), которые обеспечивают передачу данных.
  • Классификация сетей:
    • По размеру:
      • PAN (Personal Area Network): Персональная сеть (Bluetooth).
      • LAN (Local Area Network): Локальная вычислительная сеть (в пределах здания, кампуса).
      • MAN (Metropolitan Area Network): Городская сеть.
      • WAN (Wide Area Network): Глобальная сеть (Интернет).
    • По принадлежности: Офисные, корпоративные, частные.
    • По топологии: Шина, звезда, кольцо, смешанная.

Сообщение и пакет

  • Сообщение: Это полный блок данных, который приложение хочет передать (например, файл целиком или веб-страница).
  • Пакет: Для передачи по сети большие сообщения разбиваются на небольшие блоки фиксированного или переменного размера, называемые пакетами (или кадрами, фреймами, сегментами в зависимости от уровня).
    • Структура пакета:
      • Заголовок: Содержит служебную информацию: адреса отправителя и получателя, номер пакета, тип протокола и т.д.
      • Данные (Payload): Непосредственно фрагмент исходного сообщения.
      • Концевик (Trailer): Содержит, как правило, контрольную сумму для проверки целостности пакета.
    • Преимущества пакетной коммутации: Эффективное использование каналов связи (канал не занимается одним сообщением надолго), повышение надежности (при ошибке нужно повторно передать только один маленький пакет, а не все сообщение).

Модель взаимодействия открытых систем (OSI)

OSI — это эталонная 7-уровневая модель, которая описывает, как данные должны передаваться между двумя системами в сети. Каждый уровень выполняет свою конкретную задачу и взаимодействует только с соседними уровнями (выше и ниже).

  1. Физический: Передача сырых битов по физической среде (кабель, радио).
  2. Канальный: Обеспечивает надежную передачу данных (кадров/фреймов) между двумя соседними узлами в одной локальной сети. Использует MAC-адреса.
  3. Сетевой: Отвечает за маршрутизацию пакетов между различными сетями. Определяет путь от исходного узла до конечного. Использует IP-адреса.
  4. Транспортный: Обеспечивает надежную доставку данных “от процесса к процессу”. Может гарантировать доставку и правильный порядок сегментов (TCP) или просто отправлять данные без гарантий (UDP).
  5. Сеансовый: Управление сеансами связи между приложениями.
  6. Представления: Преобразование данных в понятный для приложения формат (например, сжатие, шифрование, обработка кодировок).
  7. Прикладной: Непосредственно протоколы, с которыми работают пользовательские приложения (HTTP, FTP, SMTP).

7-уровневая модель OSI.

32. Модель TCP/IP: передающая среда, канальный и сетевой уровень. Адресация, передача и маршрутизация пакетов.

Модель TCP/IP — это более практическая 4-уровневая модель, которая используется в реальном интернете.

1. Канальный уровень (Link Layer)

  • Задачи: Передача данных (кадров) в пределах одной физической сети (LAN).
  • Протоколы: Ethernet, Wi-Fi.
  • Адресация: Используются MAC-адреса — уникальные 48-битные идентификаторы, “зашитые” в каждую сетевую карту производителем.
  • ARP (Address Resolution Protocol): Протокол, который позволяет узнать MAC-адрес узла, зная его IP-адрес. Узел посылает широковещательный ARP-запрос “Кто имеет IP-адрес X.X.X.X?”, и нужный узел отвечает своим MAC-адресом.

2. Сетевой уровень (Internet Layer)

  • Задачи: Маршрутизация пакетов между различными сетями.
  • Протокол: IP (Internet Protocol).
  • Адресация: Используются IP-адреса — логические 32-битные (IPv4) или 128-битные (IPv6) адреса, которые назначаются узлам администратором сети или по DHCP.
  • Передача и маршрутизация:
    1. Компьютер-отправитель (A) хочет отправить пакет компьютеру-получателю (B).
    2. Он смотрит в свою таблицу маршрутизации.
    3. Случай 1: B находится в той же локальной сети. ОС определяет MAC-адрес B с помощью ARP и отправляет IP-пакет, инкапсулированный в Ethernet-кадр, напрямую на MAC-адрес B.
    4. Случай 2: B находится в другой сети. ОС видит, что адрес B не относится к его локальной сети. В таблице маршрутизации находится маршрут по умолчанию (default gateway) — это IP-адрес маршрутизатора (роутера). ОС определяет MAC-адрес роутера с помощью ARP и отправляет пакет на MAC-адрес роутера, но с IP-адресом назначения B.
    5. Роутер, получив пакет, смотрит на IP-адрес назначения, и на основе своей таблицы маршрутизации пересылает пакет следующему роутеру на пути к сети назначения. Этот процесс повторяется, пока пакет не достигнет роутера в сети B, который уже доставит его напрямую на B.

Флоу-чарт принятия решения о маршрутизации.

33. Модель TCP/IP: выделение адресов (DHCP), сервисы имен, транспортный и прикладной уровни.

Выделение адресов (DHCP)

  • DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Протокол, который позволяет компьютерам в сети автоматически получать IP-адреса и другие сетевые настройки (маску подсети, адрес шлюза, адреса DNS-серверов) от специального DHCP-сервера. Это избавляет администратора от необходимости настраивать каждый компьютер вручную.

Сервисы имен (DNS)

  • Проблема: Людям неудобно запоминать IP-адреса, удобнее использовать доменные имена (например, se.ifmo.ru).
  • DNS (Domain Name System): Это иерархическая распределенная система, которая преобразует доменные имена в IP-адреса и обратно.
    • Принцип работы: Когда вы вводите в браузере se.ifmo.ru, ваш компьютер отправляет DNS-запрос на DNS-сервер. Сервер ищет в своей базе (или опрашивает другие серверы) IP-адрес, соответствующий этому имени, и возвращает его вашему компьютеру, после чего браузер может установить соединение.

Транспортный уровень

  • Задача: Обеспечение связи между конкретными программами (процессами) на хостах отправителя и получателя. Использует порты для идентификации программ.
  • TCP (Transmission Control Protocol):
    • Надежный, с установлением соединения. Перед передачей данных устанавливается “виртуальное соединение” (трехстороннее рукопожатие).
    • Гарантирует, что все данные будут доставлены в правильном порядке и без ошибок (за счет подтверждений и повторных передач).
    • Используется для приложений, где важна целостность данных: HTTP (веб), FTP (файлы), SMTP (почта).
  • UDP (User Datagram Protocol):
    • Ненадежный, без установления соединения. Просто отправляет пакеты (датаграммы) без каких-либо гарантий. Пакеты могут теряться, дублироваться или приходить не по порядку.
    • Контроль надежности полностью ложится на плечи прикладной программы.
    • Используется там, где важна скорость, а не 100% надежность: DNS, VoIP (голосовая связь), онлайн-игры.

Прикладной уровень

Это уровень, на котором работают протоколы, непосредственно используемые приложениями. Программист, разрабатывая сетевое приложение, реализует один из существующих протоколов или создает свой собственный поверх TCP или UDP. * Примеры: HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH.

34. Интерфейсы ввода-вывода. Контроллеры внешних устройств. Уровни стандартизации, сопряжения с системной шиной, циклы обмена. Регистры контроллера.

Интерфейс и уровни стандартизации

Интерфейс ввода-вывода — это совокупность правил и средств, обеспечивающих обмен данными между процессором и внешним устройством. * Уровни стандартизации: 1. Конструктивный: Физические размеры и форма разъемов, количество контактов (например, USB Type-A, RJ-45). 2. Физический/Электрический: Уровни напряжений, частота сигналов, тип среды передачи. 3. Логический: Протокол обмена — последовательность сигналов, форматы команд и данных.

Сопряжение и циклы обмена

  • Сопряжение: Контроллер ВУ подключается к системной шине компьютера. Это позволяет процессору обращаться к регистрам контроллера так же, как к ячейкам памяти (если I/O отображается на память) или через специальные команды IN/OUT (если пространство I/O отдельное, как в БЭВМ).
  • Циклы обмена: Обмен данными между процессором и регистрами контроллера происходит по стандартным временным диаграммам чтения/записи на системной шине. Контроллер, в свою очередь, обменивается данными с внешним устройством по своему собственному периферийному интерфейсу (например, USB, SATA).

Регистры контроллера

  • Регистр данных (РД): Буфер для передачи данных. Процессор пишет в него данные для вывода или читает из него данные, полученные от устройства.
  • Регистр состояния/статуса (РС): Хранит информацию о текущем состоянии устройства (готов, занят, ошибка). Процессор читает этот регистр, чтобы узнать, можно ли начать обмен.
  • Регистр управления: Процессор пишет в этот регистр команды для устройства (например, начать печать, разрешить прерывания, установить скорость).

35. Параллельная передача данных. Контроллеры параллельной передачи и приема.

  • Принцип: Все биты одного байта или слова передаются одновременно по отдельным параллельным проводам.
  • Преимущества: Высокая скорость передачи данных.
  • Недостатки: Требует много проводов, что делает кабели дорогими и громоздкими. На больших расстояниях и высоких частотах возникает проблема рассинхронизации сигналов на разных проводах.
  • Контроллер параллельной передачи/приема (асинхронный):
    • Структура: Основные элементы — регистр данных и управляющий RS-триггер.
    • Протокол (Handshake):
      1. Передатчик записывает данные в свой регистр и выставляет на линию сигнал “Данные готовы”.
      2. Приемник, увидев этот сигнал, считывает данные со своих входов в свой регистр.
      3. Приемник выставляет на вторую линию ответный сигнал “Данные приняты”.
      4. Передатчик, получив подтверждение, снимает сигнал “Данные готовы” и может отправлять следующую порцию данных.
    • Такой асинхронный обмен с квитированием (подтверждением) обеспечивает надежную передачу между устройствами с разной скоростью.

Диаграмма последовательности для протокола “рукопожатия”.

36. Синхронные последовательные интерфейсы. Контроллеры последовательной передачи и приема.

  • Принцип: Биты данных передаются последовательно, один за другим, по одной линии.
  • Синхронность: Используется дополнительная линия — линия тактовых импульсов (синхроимпульсов). Передатчик генерирует тактовые импульсы, и приемник считывает очередной бит данных по каждому импульсу.
  • Преимущества: Требуется мало проводов (данные + такт + земля).
  • Недостатки: Скорость ниже, чем у параллельного интерфейса.
  • Контроллер синхронной последовательной передачи/приема:
    • Структура: Ключевые элементы — сдвиговый регистр и счетчик.
    • Передача:
      1. Процессор записывает байт данных в буферный регистр контроллера.
      2. Данные из буфера загружаются в сдвиговый регистр.
      3. Контроллер начинает генерировать тактовые импульсы. С каждым импульсом содержимое сдвигового регистра сдвигается на один бит, и крайний бит выходит на линию данных.
      4. Счетчик считает импульсы. Когда будет передано 8 бит, контроллер останавливается или загружает следующую порцию данных.
    • Прием: Процесс обратный. С каждым тактовым импульсом от передатчика бит с линии данных “вдвигается” в сдвиговый регистр приемника. После 8 импульсов в регистре оказывается принятый байт.

37. Асинхронный обмен. Принципы деления частоты, формат кадра.

  • Проблема: Как избавиться от отдельной линии тактовых импульсов?
  • Решение: Передатчик и приемник имеют свои собственные, независимые, но очень точные тактовые генераторы, работающие на одинаковой, заранее согласованной частоте (скорости, например, 9600 бод).
  • Проблема синхронизации: Даже при одинаковой частоте генераторы имеют небольшой фазовый сдвиг, который со временем накапливается и приводит к ошибкам.
  • Решение: Данные передаются не сплошным потоком, а короткими кадрами (фреймами). Каждый кадр синхронизируется отдельно.
  • Формат кадра:
    • Стартовый бит (Start bit): Всегда равен 0. Сигнализирует приемнику о начале передачи кадра. Приемник, увидев спад на линии, запускает свой внутренний механизм приема.
    • Биты данных: 7 или 8 бит полезной информации.
    • Бит четности (Parity bit, опционально): Используется для простого контроля ошибок.
    • Стоповый бит (Stop bit): Всегда равен 1. Гарантирует, что линия вернется в состояние покоя (1) перед началом следующего кадра.
  • Принцип деления частоты: Для надежного приема приемник использует тактовый генератор с частотой, кратной скорости передачи (например, в 16 раз выше). Получив стартовый бит, он отсчитывает 8 тактов (до середины бита) и считывает его значение, затем отсчитывает еще 16 тактов и считывает середину следующего бита и т.д. Это позволяет нивелировать небольшой фазовый сдвиг.

38. Контроллер передачи асинхронного последовательного интерфейса.

39. Контроллер приема асинхронного последовательного интерфейса.

Эти два вопроса описывают реализацию UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). * Контроллер передачи: 1. Получает байт данных от процессора. 2. Помещает его в сдвиговый регистр. 3. Добавляет к данным стартовый и стоповый биты. 4. Начинает побитово “выталкивать” сформированный кадр на линию передачи с заданной скоростью. * Контроллер приема: 1. Постоянно следит за линией данных. 2. Обнаружив спад (стартовый бит), запускает механизм приема. 3. Используя свой генератор и делитель частоты, считывает биты данных в середине каждого битового интервала и задвигает их в сдвиговый регистр. 4. Проверяет стоповый бит. 5. Когда весь байт принят, выставляет флаг готовности для процессора.

40. Организация прямого доступа к памяти. Контроллер ПДП.

  • Проблема: Программно-управляемый ввод-вывод, даже с прерываниями, требует участия процессора для пересылки каждого байта/слова между контроллером и памятью. Для высокоскоростных устройств (например, дисков) это создает большую нагрузку на CPU.
  • ПДП (Прямой доступ к памяти, DMA - Direct Memory Access): Это механизм, который позволяет контроллеру ВУ обмениваться данными с оперативной памятью напрямую, без участия процессора.
  • Контроллер ПДП (DMAC): Специализированный процессор, который управляет этим процессом.
    • Принцип работы:
      1. CPU программирует контроллер ПДП: сообщает ему, какую операцию выполнить (чтение с диска в память или наоборот), начальный адрес в памяти, начальный адрес на диске и количество байт для передачи.
      2. После этого CPU освобождается и может выполнять другие задачи.
      3. Контроллер ПДП берет управление шиной на себя (захватывает шину) и организует пересылку данных напрямую между контроллером диска и ОЗУ.
      4. Когда вся передача завершена, контроллер ПДП посылает процессору прерывание, сообщая об окончании операции.
  • Преимущества: Значительно разгружает центральный процессор, позволяя одновременно выполнять вычисления и высокоскоростной ввод-вывод. Это критически важно для производительности современных систем.

Диаграмма последовательности для операции DMA.

Источник — https://xn--b1amah.xn--80aalyho.xn--d1acj3b/mediawiki/index.php?title=ОПД:Экзамен_Сем2&oldid=164