3.2.3. Рабочий цикл процессора

Рабочий цикл процессора определяет основной алгоритм работы процессора и его устройств.

3. Буферная память, кэш

Кэш память используется для накопления наиболее часто используемых данных и команд и передачи их в оперативную память. Кэш память – сверхоперативная память, размещаемая в центральном процессоре.

Кэш память (cache memory) первого уровня (L1)

1 Обмен данными между КЭШем и оперативной памятью осуществляется блоками фиксированного размера.

2 Адресный тег блока – содержит служебную информацию о блоке (соответствие области ОЗУ, свободен/занят блок, ).

3 Нахождения данных в КЭШе – попаданием (hit). Если искомых данных нет в КЭШе, то фиксируется промах (cach miss).

4 При возникновении промаха происходит обновление содержимого КЭШа – вытеснение.

Стратегии вытеснения:

• случайная (с кэшем ассоциируется датчик случайных чисел и блок вытесняется);

• вытеснение наименее популярного (LRU – Least-Recently Used). – выбирается блок, частота обращения к которому была наименьшей;

5 Вытеснение КЭШ’а данных:

•сквозное кэширование (write-through caching)

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

При использовании кэш памяти:

• сокращается количество обращений к ОЗУ;

• существенно увеличивается скорость доступа к памяти в случае использования ОЗУ с «расслоением», т.к. обмены блоков с памятью будут проходить, практически параллельно.

4. Аппарат прерываний

Аппарат прерываний ЭВМ – возможность аппаратуры ЭВМ стандартным образом обрабатывать возникающие в вычислительной системе события. Данные события будем называть прерываниями.

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

Прерывания:

• • внутренние – инициируются схемами контроля работы процессора. Это может быть реакция ЦП на программную ошибку.

• • внешние - события, возникающие в компьютере в результате взаимодействия центрального процессора с внешними устройствами . Это может быть событие, связанное с поступлением новой информации от ВУ или возникновение ошибки во ВУ

Рассмотрим обобщенную модель последовательности действий, происходящих в ВС при возникновении прерывания

Этап аппаратной обработки прерываний

При обработке события, связанного с возникновением прерывания на первом этапе работает аппаратура ВС. При этом аппаратно (без участия программы) выполняются следующие действия:

1. Включается режим блокировки прерываний. При этом режиме в системе запрещается инициализация новых прерываний. Возникающие в это время прерывания могут либо игнорироваться, либо откладываться (зависит от конкретной аппаратуры ЭВМ и типа прерывания).

2. Обработка прерывания предполагает сохранение возможности корректного продолжения прерванной программы (процесса) с точки прерывания. Поэтому следующий шаг аппаратной обработки – “малое упрятывание“ – копирование в специальную регистровую память ЦП (регистровый буфер, таблицу) минимального количества регистров и настроек ЦП, достаточных для запуска программы ОС, обрабатывающей прерывания. Это заведомо счетчик команд, регистр результата, некоторое количество регистров общего назначения. Следует отметить, что возможно организовать копирование (или упрятывание) всех регистров, используемых программой, но это, в общем случае, нецелесообразно, так как может потребовать значительных объемов регистровой памяти, а также потребует значительного времени работы в режиме блокировки прерываний.

3. Следующим шагом является переход на программный режим обработки прерываний. Для этих целей в аппаратуру ВМ обычно жестко “зашивается” адрес точки в ОЗУ, начиная с которой предполагается размещение части ОС, занимающейся программной обработкой прерываний – точка входа в обработчик прерываний. (Возможно определение не одной, а группы таких точек – по одной на тип или группу прерываний). Переход на программный этап обработки прерываний есть передача управления на точку входа в обработчик прерываний. Этот переход осуществляется не программно (за счет исполнения одной из команд передачи управления), а аппаратно (например, аппаратной записью в счетчик команд адреса точки входа).