1379

ладают худшими временными показателями по сравнению с устройствами управления на жесткой логике.

1.5. Запоминающие устройства ЭВМ

Вопросы для рассмотрения: Запоминающее устройство и его характеристики. Классификация запоминающих устройств. Построение ЗУ с заданной организацией.

Рекомендуемая литература: 3.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4.

Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ) того или иного типа.

Термин "запоминающее устройство" обычно используется, когда речь идет о принципе построения некоторого устройства памяти (например, полупроводниковое ЗУ, ЗУ на жестком магнитном диске и т.п.), а термин "память" - когда хотят подчеркнуть выполняемую устройством памяти логическую функцию или место расположения в составе оборудования ЭВМ (например, оперативная память - ОП, внешняя память и т.п.). В тех вопросах, где эти отличия не имеют принципиального значения, термины "память" и "запоминающее устройство" мы будем использовать как синонимы.

Запоминающие устройства играют важную роль в общей структуре ЭВМ. По некоторым оценкам производительность компьютера на разных классах задач на 40-50% определяется характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.

К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства, относятся емкость и быстродействие.

Емкость памяти - это максимальное количество данных, которое в ней может храниться.

Емкость запоминающего устройства измеряется количеством адресуемых элементов (ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах. В настоящее время практически все запоминающие устройства в качестве минимально адресуемого элемента используют 1 байт (1 байт = 8 двоичных разрядов (бит)). Поэтому емкость памяти обычно определяется в байтах, килобайтах (1Кбайт=210 байт), мегабайтах (1Мбайт = 220 байт), гигабайтах (1Гбайт = 230 байт) и т.д.

За одно обращение к запоминающему устройству производится считывание или запись некоторой единицы данных, называемой сло-

вом, различной для устройств разного типа. Это определяет разную организацию памяти. Например, память объемом 1 мегабайт может быть организована как 1М слов по 1 байту, или 512К слов по 2 байта каждое, или 256К слов по 4 байта и т.д.

Вто же время, в каждой ЭВМ используется свое понятие машинного слова, которое применяется при определении архитектуры компьютера, в частности при его программировании, и не зависит от размерности слова памяти, используемой для построения данной ЭВМ. Например, компьютеры с архитектурой IBM PC имеют машинное слово длиной 2 байта.

Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, то есть временем, затрачиваемым на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной информации, и на ее запись:

tобр = max(tобр сч, tобр зп)

где tобр сч - быстродействие ЗУ при считывании информации; tобр зп - быстродействие ЗУ при записи.

ВЗУ с произвольным доступом (RAM - random access memory) время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).

ВЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск - МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется скоростью вращения носителя.

ВЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты - МЛ).

1.6. Система прерываний

Вопросы для рассмотрения: Организация обработки прерываний в ЭВМ. Аппаратные прерывания. Программные прерывания. Цепочечная однотактная система определения приоритета запроса прерывания. Обработка прерываний в персональной ЭВМ.

Рекомендуемая литература: 6.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 5.

Прерывание - это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой - обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.

После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы - обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе.

1.7. Ввод-вывод информации

Вопросы для рассмотрения: Взаимодействие устройств, входящих в состав ЭВМ. Проблемы взаимодействия и пути их решения. Особенности программно-управляемой передачи данных между устройствами ввода-вывода и оперативной памятью. Механизм прямого доступа к памяти. Основные сигналы шины ISA.

Рекомендуемая литература: 6.

Перечень дополнительных ресурсов: 1, 4.

Разработка систем ввода-вывода требует решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие:

• необходимо обеспечить возможность реализации ЭВМ с переменным составом оборудования, в первую очередь, с различным набором устройств ввода-вывода, с тем, чтобы пользователь мог выбирать конфигурацию машины в соответствии с ее назначением, легко добавлять новые устройства и отключать те, в использовании которых он не нуждается;

•для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования компьютера следует реализовать параллельную во времени работу процессора над вычислительной частью программы и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода;

•необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства;

•в ЭВМ должно быть обеспечено автоматическое распознавание и реакция процессора на многообразие ситуаций, возникающих в УВВ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

1.8. Современные архитектуры вычислительных систем

Вопросы для рассмотрения: VLIW архитектура. Архитектура

IA-64. Архитектура Е2К.

Рекомендуемая литература: 3, 6. Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4.

VLIW — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

В супер скалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её на архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

1.9. Организация обмена в вычислительной системе

Вопросы для рассмотрения: Система прерываний и исключений в архитектуре IA-32. Расширенный программируемый контроллер прерываний (APIC). Обработка прерываний на основе контроллера 8259A. Подсистема прямого доступа к памяти.

Рекомендуемая литература: 3.

Перечень дополнительных ресурсов: 1, 4, 5.

Прерывания и исключения - это события, которые указывают на возникновение в системе или в выполняемой в данный момент задаче определенных условий, требующих вмешательства процессора.

Возникновение таких событий вынуждает процессор прервать выполнение текущей задачи и передать управление специальной процедуре либо задаче, называемой обработчиком прерывания или обработчиком исключения. Различные синхронные и асинхронные события в системе на основе ЦП IA-32 можно классифицировать следующим образом:

Прерывания обычно возникают в произвольный момент времени. Прерывания бывают аппаратные (или внешние) и программные. Внешние прерывания генерируются по аппаратному сигналу, поступающему от периферийного оборудования, когда оно требует обслуживания. Процессор определяет необходимость обработки внешнего прерывания по наличию сигнала на одном из контактов INTR# или NMI#. При появлении сигнала на линии INTR# внешний контроллер прерываний (например, 8259A) должен предоставить процессору вектор (номер) прерывания.

1.10. Архитектура процессоров Intel

Вопросы для рассмотрения: Анализ развития процессоров фирмы Intel. Основные регистры и организация памяти процессора 8086. Режимы адресации и форматы команд процессора 8086. Кодирование линейных команд процессора 8086. Кодирование команд перехода процессора 8086. Взаимодействие основных узлов ЭВМ с процессором 8086 при выполнении команды. Архитектура 32-х разрядных процессоров Intel.

Рекомендуемая литература: 3.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4.

Первым стандартным системным интерфейсом для ПК на ос-

нове ЦП IA-32 следует считать ISA (Industry Standard Architecture -

Архитектура промышленного стандарта). ISA представляет собой шину, используемую в IBM PC-совместимых ПК для обеспечения питания и взаимодействия плат расширения с системной платой, в которую они вставляются. Полное описание шины, включая ее временные характеристики, было издано в виде стандарта IEEE P996-1987.

Первый вариант этой архитектуры для ЦП 8086/8088 с тактовой частотой 4,77 МГц представлял собой 62-контактную шину с 8 линиями данных, 20 линиями адреса, сигналами для прерываний и запросов и подтверждения DMA, а также линиями питания и сигналами синхронизации.

У процессора 80286, применявшегося в IBM PC AT, была 16разрядная шина данных, поэтому системная шина была расширена дополнительным 36-контактным соединителем, который обеспечивал еще восемь линий данных, еще четыре линии адреса, дополнительные линии прерываний и каналов DMA. На эту шину был выведен тактовый сигнал с частотой 8 МГц.

Появление 32-битных процессоров Intel-386 и Intel-486 показало, что быстродействие магистрали ISA является сдерживающим фактором на пути повышения производительности компьютеров. В 1989

году группой компаний (Compaq, Hewlett Packard, NEC и др.) было предложено эволюционное развитие архитектуры ISA - шина EISA (Extended ISA). С одной стороны, EISA имела все преимущества высокопроизводительной 32-битной шины, а с другой - была полностью совместима с ISA "сверху вниз" и не требовала перехода на новую элементарную базу. Разработчики магистрали EISA позаботились не только об информационной и электрической, но и о конструктивной совместимости с ISA.

1.11. Режимы работы процессоров Intel

Вопросы для рассмотрения: Защищенный режим работы процессора Intel. Сегментная организация памяти: Логический, линейный и физические адреса. Преобразование логического адреса в физический. Дескрипторы сегментов и таблицы дескрипторов сегментов. Страничная организация памяти: Преобразование

линейного адреса в физический. Каталоги таблиц страниц и таблицы страниц. Организация многозадачности: Определение задачи. Сегмент состояния задачи. Переключение задач. Механизмы защиты.

Рекомендуемая литература: 3.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4.

Основным режимом работы микропроцессора является защищенный режим. Ключевыми особенностями защищенного режима являются: виртуальное адресное пространство.

В защищенном режиме программа оперирует адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным. Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64Тбайт. Для адресации виртуального адресного пространства используется сегментированная модель, в которой адрес состоит из двух элементов: селектора сегмента и смещения внутри сегмента. С каждым сегментом связана особая структура, хранящая информацию о нем, - дескриптор. Кроме "виртуализации" памяти на уровне сегментов существует возможность "виртуализации" памяти при помощи страниц -страничная трансляция. Страничная трансляция предоставляет удобные средства для реализации в операционной системе функций подкачки, а кроме того в процессорах P6+ обеспечивает 36-битную физическую адресацию памяти (64Гбайт).

1.12. Интерфейсы вычислительных систем

Вопросы для рассмотрения: Типы и характеристики интерфейсов. Архитектура системных интерфейсов. Системные интерфейсы для ПК на основе Intel-386 и Intel-486. Интерфейс PCI. Порт AGP. PCI Express. Интерфейсы накопителей.

Рекомендуемая литература: 3.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4, 5.

Доминирующее положение на рынке ПК занимают системы на основе шины PCI (Peripheral Component Interconnect - Взаимодействие периферийных компонентов). Этот интерфейс был предложен фирмой Intel в 1992 году (стандарт PCI 2.0 - в 1993) в качестве альтерна-

тивы локальной шине VLB/VLB2. Следует отметить, что разработчики этого интерфейса позиционируют PCI не как локальную, а как промежуточную шину (mezzanine bus), т.к. она не является шиной процессора. Поскольку шина PCI не ориентирована на определенный процессор, ее можно использовать для других процессоров. Шина PCI была адаптирована к таким процессорам, как Alpha, MIPS, PowerPC и SPARC. Именно PCI сменила NuBus на платформе Apple Macintosh.

Шины ISA, EISA или MCA могут управляться шиной PCI с помощью моста сопряжения (рис. 2), что позволяет устанавливать в ПК платы устройств ввода-вывода с различными системными интерфейсами. Например, в чипсете Intel Triton использовалась микросхема PIIX, помимо контроллера IDE предоставляющая мост для шины ISA.

Рис. 2. Система на основе PCI

Существуют три варианта плат PCI: с уровнями сигналов 3,3 В, с уровнями сигналов 5 В и универсальные. Ключ в разъеме гарантирует, что платы с одним уровнем сигнала и невзаимозаменяемые не будут по ошибке вставлены в разъем с другим уровнем сигнала. Платы с пониженным напряжением питания в основном используются в мобильных компьютерах.

Существует 32-разрядная и 64-разрядная реализация шины PCI. В 64-разрядной реализации используется разъем с дополнительной секцией. 32-разрядные и 64-разрядные платы можно устанавливать в

64-разрядные и 32-разрядные разъемы и наоборот. Платы и шина определяют тип разъема и работают должным образом. При установке 64-разрядной платы в 32-разрядный разъем остальные выводы не задействуются и просто выступают за пределы разъема.

1.13. Интерфейсы периферийных устройств

Вопросы для рассмотрения: Интерфейсы SCSI. Интерфейс

RS-232C. Интерфейс IEEE 1284. Инфракрасный интерфейс. Интерфейс USB. Интерфейс IEEE 1394 – FireWire.

Рекомендуемая литература: 6.

Перечень дополнительных ресурсов: 1, 2.

Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х годов и предложен организацией Shugart Associates. Первый стандарт на этот интерфейс был принят в 1986 г. SCSI определяет только логический и физический уровень. Устройства, подключенные к шине SCSI, могут играть две роли: Initiator (ведущий) и Target (ведомый), причем одно и то же устройство может быть как ведущим, так и ведомым. К шине может быть подключено до восьми устройств. Каждое устройство на магистрали имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7. Одно из этих устройств - хост-адаптер SCSI. Ему обычно назначают SCSI ID = 7. Хост-адаптер предназначен для осуществления обмена с процессором. Хост-адаптер, как правило, имеет разъемы для подключения как встраиваемых, так и внешних SCSI-устройств.

Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов - синфазный и дифференциальный. В первом случае сигналы на линиях имеют ТТЛ-уровни, при этом длина кабеля ограничена 6 м. Версии шины SCSI с дифференциальной передачей сигнала ("токовой петлей") дают возможность увеличить длину шины до 25 м.

Чтобы гарантировать качество сигналов на магистрали SCSI, линии шины должны быть с обеих сторон согласованы при помощи набора согласующих резисторов, или терминаторов. Терминаторы должны быть установлены на хост-адаптере и на последнем устройстве магистрали. Обычно используют один из трех методов согласования:

•пассивное согласование при помощи резисторов;

•FPT (Force Perfect Termination) - улучшенное согласование с исключением перегрузок при помощи ограничительных диодов;

• активное согласование при помощи регуляторов напряжения. Обмен данными между устройствами на шине SCSI происходит в соответствии с протоколом высокого уровня на основе стандартного списка команд - CCS (Common Command Set). Этот универсальный набор команд обеспечивает доступ к данным с помощью адресации логических, а не физических блоков. С внедрением в спецификацию CSS команд, поддерживающих приводы CD-ROM, коммуникационные устройства, сканеры и др. (стандарт SCSI-2), стала осуществимой работа практически с любыми

блочными устройствами.

1.14. Программное обеспечение вычислительных систем

Вопросы для рассмотрения: Особенности использования Linux. Программное обеспечение виртуализации VirtualBox. Сетевые возможности VirtualBox.

Рекомендуемая литература: 6.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение во-

просов темы; подготовка к лабораторным работам и оформление отчетов; подготовка к тестированию.

В широком смысле под термином Linux понимают группу Unix-подобных операционных систем, основанных на открытом ядре Linux и различных библиотеках, утилитах и программах. Linux тесно связан с понятиями свободного программного обеспечения и программного обеспечения с открытым исходным кодом (open-source). Данные понятия подкреплены юридически соотвествующими лицензиями для ПО; обычно обозначают ПО с доступным исходным кодом (бинарный код запрещено распространять без исходного) и возможностью свободного использования, модификации и распространения.

Существует множество дистрибутивов Linux, различающихся основным форматом пакетов, функциональным назначением, набором программного обеспечения, поддержкой различных аппаратных платформ и т.д. В данном пособии используется Debian GNU/Linux или просто Debian, характеризующийся, в частности, развитой системой управления программным обеспечением и большой базой программного обеспечения, содержащегося в стандартных и дополнительных репозиториях.