Лекция: Архитектура компьютерной системы В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы: управление прерываниями
Лекция: Архитектура компьютерной системы
В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы: управление прерываниями, памятью, вводом-выводом, иерархия памяти, ассоциативная память (кэширование), защита памяти, аппаратная защита памяти в системах с теговой архитектурой.
Содержание
- Введение
- Архитектура компьютерной системы
- Функционирование компьютерной системы
- Обработка прерываний
- Архитектура ввода-вывода
- Таблица состояния устройств
- Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) – более эффективный метод работы контроллеров устройств ввода-вывода, используемый для работы высокоскоростных устройств, способных передавать информацию со скоростью, близкой к скорости работы памяти
- Структура памяти
- Аппаратная защита памяти и процессора
- Аппаратная защита адресов памяти в системах с теговой архитектурой
- Организация аппаратной защиты памяти и процессора
- Ключевые термины
- Краткие итоги
- Набор для практики
- Вопросы
- Упражнения
- Темы для курсовых работ, рефератов, эссе
Введение
В данной лекции рассмотрим более подробно архитектуру компьютерной системы. Будут рассмотрены следующие вопросы:
- функционирование компьютерной системы
- архитектура ввода-вывода
- структура памяти
- иерархия памяти
- аппаратная защита памяти
- общая архитектура системы.
Вот типичная структура современной настольной или портативной компьютерной системы, с указанием наиболее распространенных типов устройств и их…
Рис. 4.1. Архитектура компьютерной системы.
Очевидно, что при обработке прерывания, в свою очередь, может возникнуть другое прерывание. В этом случае новое входящее прерывание задерживается… Кроме прерываний, генерируемых аппаратурой неявно при вычислениях (например,… При прерывании ОС сохраняет состояние процессора –значения регистров и значение счетчика команд (program counter –…
Рис. 4.2. Временная диаграмма прерываний процессора при вводе-выводе.
На диаграмме видны моменты смены состояний процессора и устройства ввода-вывода: прерывание по запросу на ввод-вывод,…
Таблица состояния устройств
На системном уровне, при обмене происходит следующее. Выполняется системный вызов (system call)– запрос к ОС путем вызова системной подпрограммы, в данном случае – чтобы позволить пользователю ожидать завершения ввода-вывода. Операционная система хранит таблицу состояния устройств, в которой каждому устройству соответствует элемент, содержащий тип устройства, его адрес и состояние. ОС индексирует таблицу устройств, с целью определения состояния устройства и модификации элемента таблицы для включения в нее информацию о прерывании.
Архитектура синхронного (a) и асинхронного (b) ввода-вывода иллюстрируется на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Архитектура синхронного и асинхронного ввода-вывода
На схеме видно, что отличительной чертой синхронного обмена является переход процессора в состояние ожидания до окончания операции ввода-вывода.
На рис. 4.4 показан пример состояния таблицы устройств ввода-вывода, хранимой операционной системой. Для каждого устройства хранится информация о его имени, состоянии, а для занятых устройств – адрес начала и длина порции информации, подлежащей обмену. Если для некоторого устройства (в примере – диск3) имеется несколько запросов на ввод-вывод, все они организуются в очередь и обслуживаются по очереди, по мере освобождения устройства.
Рис. 4.4. Пример состояния таблицы внешних устройств ОС
Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) – более эффективный метод работы контроллеров устройств ввода-вывода, используемый для работы высокоскоростных устройств, способных передавать информацию со скоростью, близкой к скорости работы памяти
DMA-контроллер передает блок данных из буферной памяти непосредственно в основную память, без участия процессора. Преимущество подобного широко применяемого подхода – не только в том, чтобы избежать лишней пересылки данных из одной области памяти в другую, но также в том, что прерывание в этом случае генерируется на каждый блок пересылаемых данных (хранящийся в буфере), но не на каждый пересылаемый байт, как при более традиционном способе обмена.
В качестве вторичной памяти чаще всего используются жесткие диски (hard disks).Физически они состоят из твердых пластин из металла или стекла,… Устройство жесткого диска показано на рис. 4.5.
Использование системного вызова для выполнения ввода-вывода иллюстрируется на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Использование системного вызова для выполнения ввода-вывода.
Как уже пояснялось, в такой компьютерной системе каждое слово памяти имеет тег– информацию о типе данных, хранящемся в данном слове. Специальные… Адрес в системе с теговой архитектурой представлен специальным адресным словом… Кроме дескриптора, имеется также косвенное слово (indirect word)– тегированный адрес для обращения к элементу данных…
При исполнении в привилегированном режиме ОС имеет неограниченный доступ, как к памяти монитора, так и к памяти пользователя. Команды записи… В системах с теговой архитектурой только привилегированная команда может… Для организации периодических прерываний в системе имеется таймер –системный регистр, содержащий некоторое…
BluRay – диск– разновидность компакт-дисков большой емкости (25 – 50 ГБайт).
COM (communication port, serial port, последовательный порт)– порт для… DMA (Direct Memory Access) –контроллеры с прямым доступом к оперативной памяти, минуя использование специализированной…
Модули компьютерной системы – процессор, память и внешние устройства с их контроллерами – функционируют параллельно. Контроллер имеет локальный… Обработка прерываний осуществляется через резидентный вектор прерываний,… Ввод-вывод может быть синхронным и асинхронным. Для обработки ввода-вывода ОС хранит и использует таблицу состояния…
Набор для практики
Темы для курсовых работ, рефератов, эссе
- Обзор архитектуры компьютерной системы (реферат).
- Обзор асинхронных и синхронных методов ввода-вывода в компьютерных системах (реферат).
- Методы обработки прерываний с помощью вектора прерываний (реферат).
- Обзор иерархии и видов внешней памяти (реферат).
- Обзор методов защиты памяти в компьютерных системах (реферат).