10. Архитектура системы команд как интерфейс между программным и аппаратным обеспечением. Классификация архитектур системы команд.
Архитектура системы команд (ISA) - это интерфейс между программным обеспечением и аппаратным обеспечением компьютера. Она определяет набор инструкций, которые процессор может выполнять, и их формат.
По месту хранения операндов: - Аккумуляторные
- Регистровые
- Стековые
По составу и сложности команд
- С полным набором команд (CISC)
- С сокращенным набором команд (RISC)
- С длинными машинными командами (VLIW)
- С безоперандным набором команд (ROSC)
Классификация:
- Фон Неймановская архитектура: Использует единую память для хранения как программ, так и данных.
Преимущества : Простота конструкции, гибкость в программировании.
Недостатки: Возможность возникновения проблемы узкого места (bottleneck) при одновременном доступе к памяти для инструкций и данных.
- Гарвардская архитектура: Разделяет память для программ и данных, что позволяет параллельно обращаться к ним.
Преимущества : Высокая скорость выполнения инструкций за счет параллельного доступа к памяти.
Недостатки: Более сложная и дорогая реализация.
- Линейная структура: Группа линий связи, по которым передаются сигналы.
11. Архитектура системы команд по месту хранения операндов. Аккумуляторные, регистровые, и стековые архитектуры, примеры их использования в программно-аппаратных комплексах.
Архитектура системы команд по месту хранения операндов:
· Аккумуляторные
· Регистровые
· Стековые
Архитектура ВМ на базе аккумулятора.
Аккумулятор – выделенный регистр для хранения одного из операндов арифметической или логической операции.
Алгоритм работы:
· Изначально оба операнда хранятся в основной памяти;
· До выполнения операции один из операндов загружается в аккумулятор;
· Для выполнения операции в АЛУ производится считывание второго операнда из памяти в регистр данных;
· После выполнения команды обработки, результат остается в аккумуляторе и, если он не является операндом для последующей команды, его требуется сохранить в ячейке памяти.
Достоинства - короткие команды и простота декодирования команд.
Недостаток - наличие всего одного регистра порождает многократные обращения к основной памяти.
Пример: ранние версии вычислительных систем IBM 7090, DEC PDP-8, MOS 6502.
Архитектура на базе регистров
Алгоритм работы:
· Выбор регистра первого операнда;
· Определение расположения второго операнда (память или регистр);
· Подача на вход АЛУ операндов и выполнение операции;
· Выбор регистра результата и занесение в него результата операции из АЛУ.
Достоинства:
· Компактность получаемого кода;
· Высокая скорость вычислений за счет замены обращений к основной памяти на обращения к быстрым регистрам.
Недостатки - данная архитектура требует более длинных инструкций по сравнению с аккумуляторной архитектурой
Архитектура ВС на базе стека.
Особенность – входные, промежуточные и результирующие данные хранятся в памяти данных с последовательным доступом.
Алгоритм работы:
· Для выполнения операции на вход АЛУ подастся информация, считанная из двух верхних ячеек стека (при этом содержимое стека продвигается на две позиции вверх, то есть операнды из стека удаляются);
· Результат операции заталкивается в вершину стека. Возможен вариант, когда результат сразу же переписывается в память с помощью автоматически выполняемой операции рор х.
Достоинства:
· Простота аппаратной реализации;
· Простота записи алгоритмов вычисления.
Недостатки:
· Cтек - запоминающее устройство с последовательным доступом, обладающее медленной скоростью работы. Данная архитектура не позволяет производить расширения или дополнения для увеличения мощности.
Примеры:
В вычислительных машинах 1960-х годов в ВМ фирмы Burroughs (B5500, B6500) или фирмы Hewlett-Packard (HP 3000/70),
Современные BM со стековой AСK - JEM 1 и JEM 2 компании AJILESYSTEMS; CLIP фирмы IMSYS; IGNITE компании Patriot Scientist
12. Системное и прикладное программное обеспечение программно-аппаратных комплексов. Многозадачность в программно-аппаратных комплексах, преимущества и недостатки использования операционных систем реального времени в них. Схемы выделения памяти при создании задач в FreeRTOS.
Многозадачность в программно-аппаратных комплексах:
Преимущества применения ОСРВ:
· Многозадачность (программисту не нужно заботиться о переключении между задачами: за него это сделает ОСРВ в соответствии с алгоритмом работы планировщика);
· Временная база (программный интерфейс для отсчёта интервалов времени и выполнения каких-либо действий в определенные моменты времени);
· Обмен данными между задачами (используется очередь, которая гарантирует, что сообщения дойдут до адресата в том объёме и в той последовательности, в которой были отправлены);
· Синхронизация (мьютексы или критические секции).
Недостатки применения ОСРВ:
· Дополнительный расход памяти программ для хранения ядра ОСРВ.
· Дополнительный расход памяти данных для хранения стека каждой задачи, семафоров, очередей, мьютексов и других объектов ядра операционной системы.
· Дополнительные затраты времени процессора на переключение между задачами.
Схемы выделения памяти:
Распределение памяти кучи при использовании схемы heap_1.c используют, когда задачи в программе никогда не уничтожаются.
Блок памяти, выделяемый задаче:
1. Стека задачи (при создании задачи)
2. Блока управления задачей (Task Control Block) - содержит служебную информацию, используемую ядром.
heap_1.c
Распределение памяти кучи при использовании схемы heap_2.c используют, когда задачи в программе могут уничтожаться.
Размер структуры ТСВ зависит от:
- настроек FreeRTOS;
- платформы, на которой она выполняется;
- используемого компилятора.
heap_2.c