- •Базовые функции компьютера общего назначения. Взаимодействие компьютера с информационной средой.
- •«Узость» понятия «Архитектура компьютера». Структурная организация компьютера.
- •Уровни организации компьютера.
- •Концепция фон Неймана.
- •Машина фон Неймана: принцип разработки, базовые компоненты.
- •Цикл выполнения команды: состояния; детализированный граф переходов.
- •Архитектура системы команд: основные понятия, свойства, общая характеристика.
- •Команды компьютера общего назначения: основные группы.
- •Команды компьютера общего назначения: компоненты, формат, операционная часть.
- •Символическое представление команды. Критерии выбора формата команд.
- •Адресная часть команды компьютера общего назначения. Варианты реализации.
- •Режимы адресации: непосредственный, прямой, регистровый.
- •Адресация со смещением: общие принципы, относительная адресация, адресация через регистр базы.
- •Стековая адресация: принципы реализации, виды стека, управление стеком, стек-ориентированные операции.
- •Выполнение арифметических операций в компьютере со стековой архитектурой. Полиз.
- •Адресация с индексированием: общие принципы, разновидности.
- •Базовые типы операндов: данные логического типа, строки, адреса.
- •Базовые типы операндов: числа, разрядность основных форматов, размещение в памяти.
- •Данные символьного типа: юникод.
- •Данные символьного типа: общие сведения, принципы кодирования, стандарты ascii и iso 8859, кодовые страницы.
- •Архитектура на основе общей магистрали. Характеристики системной магистрали.
- •Алгоритм функционирования системной магистрали. Взаимодействие устройств.
- •Иерархия магистралей: двух- и трехшинная архитектура.
- •Шинный арбитраж: предпосылки введения, схемы приоритетов.
- •Шинный арбитраж: алгоритмы динамического изменения приоритетов.
- •Централизованный параллельный и многоуровневый арбитраж шины.
- •Централизованный последовательный арбитраж.
- •Децентрализованный арбитраж шин.
- •Опросные схемы арбитража шин.
- •Протокол шины: понятие, виды протоколов. Транзакции синхронной шины.
- •Асинхронные протоколы шины: транзакции, тайм-ауты.
- •Пакетный режим пересылки информации. Конвейеризация транзакций.
- •Расщепление транзакций. Увеличение полосы пропускания шины.
- •Система ввода-вывода: назначение элементов, организация адресного пространства.
- •Детализированные функции модуля ввода-вывода.
- •Структурная организация модуля ввода-вывода.
- •Алгоритм обмена информацией между центральным процессором и внешним устройством.
- •Способы организации ввода-вывода. Программно управляемый ввод-вывод.
- •Команды, используемые при программно управляемом вводе-выводе.
- •Ввод-вывод по прерываниям: принципы, механизм.
- •Методы идентификации устройств, запрашивающих прерывание.
- •Векторные прерывания: принципы реализации, виды.
- •Приоритеты прерываний. Отличие последовательной обработки прерываний от обработки вложенных прерываний.
- •Контроллер прямого доступа к памяти (кпдп): состав и назначение компонентов, инициализация.
- •Алгоритм обмена на основе пдп. Буферизация данных.
- •Варианты реализации механизма пдп. Достоинства и недостатки.
- •Понятия канала ввода-вывода и процессора ввода-вывода.
- •Канальная программа. Управляющее слово канала.
- •Алгоритм функционирования канала ввода-вывода. Способы организации взаимодействия ву с каналом.
- •Режимы канала ввода-вывода.
- •Методы доступа к данным в памяти компьютера.
- •Параметры оценки быстродействия памяти.
- •Иерархическая архитектура памяти компьютера: предпосылки внедрения, принципы реализации и функционирования.
- •Локальность по обращению: виды, использование в архитектурных решениях.
- •Иерархия памяти компьютера: характеристики, описание уровней.
- •Основная память компьютера: назначение, типы запоминающих устройств, способы организации
- •Адресная организация памяти компьютера.
- •Блочная организация памяти: назначение, виды, факторы эффективности применения.
- •Расслоение памяти и чередование адресов: назначение, принцип реализации.
- •Ассоциативная память: логическая организация, функционирование.
- •Логическая и функциональная организация кэш-памяти прямого отображения.
- •Логическая и функциональная организация полностью ассоциативной кэш-памяти.
- •Логическая и функциональная организация множественно-ассоциативной кэш-памяти.
- •Алгоритмы замещения информационных блоков в кэш-памяти: назначение, виды, реализация.
- •Согласование содержимого кэш-памяти и оп. Стратегии записи в кэш-памяти.
- •Многоуровневая кэш-память. Принстонская и гарвардская архитектуры кэш-памяти.
- •Виртуализация памяти компьютеров: предпосылки внедрения, принцип реализации, виды виртуальной памяти.
- •Концепция страничной организации памяти. Взаимодействие виртуальной памяти с кэш-памятью.
- •Ограничения страничной организации памяти. Сегментация памяти.
- •Проблемы динамического распределения памяти при сегментации. Сегментно-страничная организация памяти.
- •Метод колец защиты памяти.
- •Метод граничных регистров памяти.
- •Защита памяти по ключам.
- •Концепция raid: принципы построения массивов дисковой памяти, назначение, способы реализации.
- •Дисковые массивы raid уровней 0, 1, 10: назначение, принципы реализации, свойства.
- •Дисковые массивы raid уровней 5, 6: назначение, принципы реализации, свойства.
- •Многопортовые озу и озу типа fifo.
- •Прерывания: фаза прерывания, поток данных, классы прерываний.
- •Арифметический конвейер: назначение, принципы реализации. Понятие суперконвейера.
- •Конвейерная обработка данных: предпосылки внедрения, принципы реализации, способы синхронизации ступеней.
- •Синхронный конвейер: реализация 6-ступенчатого конвейера, метрики эффективности, оценка выигрыша от внедрения.
- •Виды рисков синхронного конвейера.
- •Методы снижения приостановок конвейера.
- •Risc-архитектура: предпосылки создания, принципы реализации.
- •Risc-архитектура: средства оптимизации использования регистров.
- •Параллелизм уровня команд. Концепция vliw-архитектуры.
- •Суперскалярные компьютеры: принципы построения, структура процессора.
Согласование содержимого кэш-памяти и оп. Стратегии записи в кэш-памяти.
В процессе вычислений:
1. ЦП может записывать информацию, обновляя тем самым содержимое кэш-памяти.
2. Многие УВВ напрямую обмениваются информацией с ОП.
Проблемная ситуация: содержимое строки кэша и соответствующего блока ОП перестает совпадать.
Способы устранения:
= первой причины – методы обновления ОП (стратегии записи):
- сквозная запись (write through);
- обратная запись (write back);
= второй причины – два приема:
- ввод информации в ОП с параллельным обновлением содержимого кэш-памяти;
- «прямой» доступ к ОП только через кэш-память.
Сквозная запись:
1. Обновляется слово, хранимое в ОП.
2. Если в кэш-памяти существует копия этого слова, то она также обновляется.
3. Если нужная копия в кэш-памяти отсутствует, то возможны варианты:
- из ОП в кэш-память пересылается блок, содержащий обновленное слово (сквозная запись с отображением);
- пересылка блока не производится (сквозная запись без отображения).
Свойства:
+ содержимое строк кэш-памяти всегда соответствует содержимому блоков ОП;
+ при замещении строки удаляемый блок не требуется возвращать в ОП;
+ достаточно прост в реализации;
- эффект от использования кэш-памяти (сокращение времени доступа) в отношении к операциям записи отсутствует. Информация записывается в кэш-память и в специальный буфер FIFO. Запись в ОП производится из буфера; ЦП не ожидает ее окончания. ЦП полностью освобождается от работы с ОП. Своевременное «опустошение» заполненного буфера обеспечивает логика управления.
Обратная запись:
Слово заносится только в кэш-память. Если соответствующей строки в кэш-памяти нет, то:
- Нужный блок пересылается из ОП.
- Выполняется запись в кэш-память.
Перед замещением строка сохраняется в ОП.
Свойства:
+ ЦП может многократно изменять копию блока ОП без обращения к последней;
- нарушение когерентности.
Модификация метода - метод флаговой обратной записи: при модификации строки кэша устанавливается связанный с ней бит изменения (флаг), при замещении строка кэш-памяти переписывается в ОП, если ее флаг установлен в 1. Это способствует повышению эффективности.
Метод обратной записи в среднем на 10% эффективнее метода сквозной записи, однако имеет бОльшие аппаратные затраты.
Однако, т.к. операции записи составляют небольшую долю всех операций, различие по быстродействию между рассмотренными методами невелико
Многоуровневая кэш-память. Принстонская и гарвардская архитектуры кэш-памяти.
Проблема: с увеличением емкости кэш-памяти падает ее быстродействие.
Решение: общую емкость кэша увеличивают за счет дополнительной (внешней) кэш-памяти, расположенной между внутренней кэш-памятью и ОП, – двухуровневая кэш-память. Уровни соотносятся по емкости, быстродействию и стоимости в соответствии с иерархическим принципом.
Пример: двухуровневая память:
Устройство |
Внутрення |
Внешняя |
Уровень |
L1 |
L2 |
Расположение |
на кристалле ЦП |
чаще всего на кристалле ЦП |
Быстродействие |
наивысшее |
ниже |
Технология |
SRAM |
SRAM |
Емкость, Кбайт |
не более 64 |
256, 512, реже 1024 |
При доступе ЦП к памяти:
1. Обращение к L1-кэш.
2. В случае промаха – обращение к L2-кэш.
3. Если информация отсутствует и в L2, выполняется обращение к ОП; соответствующий блок заносится сначала в L2, а затем и в L1.
Среднее время доступа:
Для одноуровневой памяти: Tcp = TL1h + KL1m x TL1m
Для многоуровневой памяти: Tcp = TL1h + KL1m x TL2h + KL2m x TL2m
КL1m – коэффициент промахов;
TL1m – потери на промах;
TL1h – потери при попадании.
Смешанная и раздельная кэш-память:
Смешанная используется для команд и данных (Принстонская архитектура); появилась первой. При заданной емкости более высокая вероятность попаданий (благодаря автобалансировке между командами и данными).
Раздельная состоит из двух блоков: отдельно для команд и отдельно для данных (Гарвардская архитектура). Присутствует возможность бесконфликтной одновременной выборки команд и данных (актуально для систем с конвейеризацией команд)