KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA

KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA

Doc. Stasys Maciulevičius

Kompiuterių [email protected]

©S.Maciulevičius 22013

Ankstesnėje paskaitoje

Išorinė atmintis CD DVD Naujieji DVD tipai

Magistralės HyperTransport, QPI PCI Express USB Magistralės arbitražas Valdymo schemų rinkiniai

Išorinių įtaisų sąsajos IDE, SATA SCSI


Šioje paskaitoje

Pertrauktys Pertraukčių tipai Pertraukčių apdorojimas

Įvestis ir išvestis Įvesties ir išvesties problemos Periferinio įtaiso kontroleris Programa valdomi duomenų mainai Tiesioginiai duomenų mainai


Pertrauktys

Procesoriui dirbant savo darbą (vykdant programos komandas) tenka kreipti dėmesį ir į kitų kompiuterio komponentų darbą

Galima tai atlikti taip – reguliariai paklausti, ar kuris nors komponentas nereikalauja dėmesio ar jame nesusidarė situacija, reikalaujanti dėmesio ir atitinkamo sprendimo

Toks reguliarus tikrinimas vadinamas apklausa arba polinguTačiau kur kas tikslingiau naudoti signalus, kuriais

kompiuterio komponentai patys informuotų apie juose susidariusią situaciją, reikalaujančią dėmesio

Tokie signalai vadinami pertraukties signalais


Pertrauktys

Pertraukiančios (pertrauktį apdorojančios) programos

Pertraukties signalai

Pagrindinėprogra

ma

Procesorius

Aplinka


Pertraukčių tipai

Išorinės (asinchroniškos procesui): • techniniai gedimai (įtampa, …)• laikrodis• kiti procesai ar procesoriai• procesai išoriniuose įtaisuose• vartotojas, operatoriusVidinės (sinchroniškos procesui): • adresavimo klaidos• operandų klaidos (/0, …)• operacijos klaidos (perpildymas, …)• negalima operacija• režimo pakeitimas


Pertraukčių tipai

Programinės (sinchroniškos procesui): • programinės (pertr. sistemai tikrinti)• derinimo (po kiekvienos komandos - analizė)

Vykdymo variantai: • po komandos (dažniausiai)• komandoje (rečiau, kai negalima užbaigti):

• puslapio klaida• ilgai trunkančioms komandoms

Apdorojama: • mikroprograma (anksčiau)• paprograme (dažniausiai)


Pertrauktys: terminai

Aparatinės pertrauktys – iššaukiamos elektriniais signalais procesoriaus įėjimuose.

• maskuojamos (įėjimas INTR) – reakcija priklauso nuo IF reikšmės

• nemaskuojamos (įėjimas NMI)Programinės pertrauktys – iš esmės tai speciali priemonė tam

tikroms procedūroms iškviesti.Išskirtinės situacijos (Exceptions) – trijų tipų ypatingi atvejai:

• klaidos (faults) – aptinkamos prieš vykdant komandą (pvz., page fault)

• “spąstai” (traps) – aptarnaujamos įvykdžius komandą (pvz., programinės pertrauktys)

• avarinės situacijos (aborts) – neaišku, kuri komanda kalta


Pertrauktys

Parametrai:• įėjimo signalų skaičius• reakcijos laikas• perjungimo laikas• gylis

Pagr.progr.

Signalas

Pertr. apdor.Reakcijos

Perjungimolaikas laikas


Pertraukčių lygiai

321

321

3

22

11

Užklausos

Vieno lygiosistema

Kelių lygių sistema

Pertraukčių prioritetaiAptarnavimo tvarka:

Čia 1 pertrauktis turi žemiausią prioritetą, 3 - aukščiausią


Pertrauktys

Apdorojimo procedūra:• pertraukties signalo priėmimas• pertraukties atpažinimas• būsenos įsiminimas• pertrauktį apdorojančios programos vykdymas• būsenos atstatymas


PSW (IBM/360)

Išorinių pertraukčių kaukė

Įvedimo / išvedimo kaukė

Valdymo režimas Kontrolės schemų pertraukties kaukė Laukimas / skaičiavimas Uždavinys / supervizorius

Būsena

Sistemos kaukė

0 5 6 7 8 11 12 13 14 15 16 31

Kanalų Programos Pertraukties

kaukė raktas kodas

32 33 34 35 36 39 40 63

Progr. ILC CC pertr. Komandos adresas

kaukė

Programinių pertraukčių kaukė:[36] - sveikųjų skaičių perpildymas[37] - dešimtainių skaičių perpildymas[38] - eilės išnykimas [39] - mantisės išnykimas

Sistemos kaukė:[0] - multipl. kan. kaukė[1-5] - selekt. kan. kaukė[6] - >5 kan. kaukė

Rezultato požymis

Komandos ikgio kodas


CC formavimas IBM/360

CC reikšmės formavimo pavyzdys:

Komanda 00 01 10 11Kodų sudėtis =0,C=0 0,C=0 = 0,C0

0,C0 Pusžodžių sudėtis =0 <0 >0 Perpild.

IR =0 0 - - Sąlyginis perėjimas n e k e i č i a m a Palyginimas = Op1<OP2 Op1>OP2


Pertraukčių realizacija IBM/360

P.užklausa (2 klasės)

Naujieji PSW

1

2

3

4

5

Pertraukiančioji programa

Senieji PSW

1

2

3

4

5

Pertrauk-toji

programa

Pertrau-kiamoji

programaBūsenos

išsaugojimas

Programa

Būsenos atstatymas

PSW registras1

2

5

6

3

4


Pertraukčių kontroleris (Intel)

INTA INT

D7 - D0

IR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7

Valdymo logika

Pertr. užklaus.regist-

ras

(IRR)

Prioriteto schema

Aptarn. pertr. regist-

ras

(ISR)

Pertr. kaukės registras(IMR)

Duom. magistr. buferis

Skait./ Įrašymo logika

Kaskadinio jungimo

valdymas

RD

WR

A0

CS

CAS0

CAS1

CAS2

SP/EN


Pertraukčių kontroleris

IOWCIORCINTA

Pertraukčių įėjimai

Duomenų magistralė

Adreso selektoriu

s

Adreso magistralė

Į P

Kaskadiniam jungimui

CS A0 INT D7-D0

WR

RD 8259A CASINTA

IR0 IR7


Pertraukčių kontrolerio naudojimas

IR0IR1 INTIR2…IR7 CAS

Išor. įtaisas 00

Išor. įtaisas 01

Išor. įtaisas 07



Išor. įtaisas 08

Išor. įtaisas 09

Išor. įtaisas 15

Išor. įtaisas 56

Išor. įtaisas 57

Išor. įtaisas 63

IR0IR1 INTIR2…IR7CAS

NMIINTR

Vedantysis(Master)8259A

Vedamieji (Slaves)8259A

Procesorius


Pertraukčių kontrolerio naudojimas AT


Išor. įtaisas 02

Išor. įtaisas 03

Išor. įtaisas 09

Išor. įtaisas 10

Išor. įtaisas 11

Išor. įtaisas14

IR0IR1 INTIR2IR3IR4IR5IR6IR7 CAS

NMIINTR

Vedantysis8259A

Vedamasis8259A

Procesorius

Išor. įtaisas 00

Išor. įtaisas 01

PC/XT kompiuteriuose buvo tik viena mikroschema 8259A

PC/AT kompiuteriuose buvo 2 mikroschemos 8259A, sujungtos tokiu būdu:


Modernus pertraukčių kontroleris

Multiprocesorinėms sistemoms buvo sukurti

modernūs pertraukčių kontroleriai (APIC -

advanced programmable interrupt controllers),

kurie turėjo padidinti pertraukčių apdorojimo

efektyvumą tokiose sistemose

Intel APIC sistemose yra du komponentai -

lokalus APIC (LAPIC) ir I/O APIC


Modernus pertraukčių kontroleris

LAPIC valdo visas savojo procesoriaus išorines pertrauktis SMP sistemoje. Be to, jis gali priimti ir generuoti tarpprocesorines pertrauktis (IPI) tarp LAPIC

LAPIC gali palaikyti iki 224 pertraukčių vektorių iš I/O APIC. Vektoriai, kurių numeriai 0 - 31, yra rezer-vuoti pertraukčių apdorojimui x86 procesoriuose

I/O APIC turi specialią lentelę, kuri naudojama iš I/O magistralių gautoms pertrauktims nukreipti į vieną ar kelis lokalius APIC


Pentium pertrauktys ir išskirtinės situacijos

Pertraukties (vektoriaus) numeris – 8 bitų kodas, identifikuojantis pertraukties vektorių.

Pertraukties vektorius – įrašas pertraukčių deskriptorių lentelėje IDT, kuris nurodo pertrauktį aptarnaujančią programą (paprogramę).

0-31 numeriais pažymėtas pertrauktis atpažįsta CPU, o 32-255 numeriais pažymėtos pertrauktys atpažįstamos tik programiškai


Įvesties ir išvesties problemos

Galimybė prijungti įvairius PĮ Lygiagretus įvesties ir išvesties

sistemos darbas su procesoriumi Maksimaliai supaprastintas įvesties ir

išvesties procesų programavimas Reakcija į įvairias kritines situacijas bei

iškilusias problemas


Problemų sprendimo keliai

PĮ moduliškumas (konstruktyvus išbaigtumas, paprastas prijungimas)

Unifikuoti duomenų formatai Unifikuota sąsaja (interfeisas) Unifikuoti komandų formatai ir tipai


Kompiuteris ir jo I/O įtaisai

CPU

Kešas

Pagrindinėatmintis

Įvesties ir išvesties magistralė

I/O kontroleris

MD MD

I/O kontroleris

I/O kontroleris

Grafikos išvesties

įtaisas LAN

Pertraukčių signalai


Periferinių įtaisų darbo sparta

Įtaisas Įv. - išv. Partneris Sparta (KB/s)

Klaviatūra Įvestis Žmogus 0,01Pelė Įvestis Žmogus 0,02Skeneris Įvestis Žmogus 200Nuoseklus spausdintuvas Išvestis Žmogus 1Lazerinis spausdintuvas Išvestis Žmogus 100 Grafinis displėjus Išvestis Žmogus 100 000 Vietinis tinklas (LAN) Įvest/išv. Kompiuteris 200Optinis diskas Atmintis Kompiuteris 1 000 Magnetinis diskas Atmintis Kompiuteris 40 000


Pagrindinės sąvokos

periferinis įtaisas (I/O įtaisas) I/O magistralė I/O kanalas I/O kontroleris I/O sąsaja (interfeisas) programa valdomi duomenų mainai tiesioginiai mainai su atmintimi


Periferinio įtaiso kontroleriofunkcijos valdymas ir sinchronizavimas ryšis su CPU ryšis su periferiniu įtaisu

adreso atpažinimas komandų dekodavimas informacijos apie būseną pateikimas duomenų perdavimas

duomenų buferizavimas klaidų kontrolė


Periferinių įtaisų adresavimasa) atskiros adresų b) persidengiančios sritys (PDP) adresų sritys

RAM

I/O prievadai

000000

777400

777777

RAM

I/O prievadai0000

00FF

FFFFFFFF


Periferinių įtaisų adresavimas ir I/O komandos

Komandos:

a) move - universali (ir kreipiantis į atmintį, ir į PĮ); vieta atskiriama pagal adreso reikšmę

b) load/store - kreipiantis į atmintį, in/out - kreipiantis į PĮ; vieta atskiriama pagal magistralės signalus


Prievadai (portai)

Įvesties prievadas – bet koks duomenų šaltinis, kuris gali būti išrinktas vykdant įvesties komandą.

Išvesties prievadas – bet koks duomenų imtuvas, kuris gali būti išrinktas vykdant išvesties komandą.

Prievadai adresuojami per adreso magistralę (ar jos dalį).


Prievadai (portai)

7 0išrinkimas

į periferinį įtaisą

išvesti

įvesti

A magistralė

D magistralė

7 0

L

L

iš periferinio įtaiso

selektorius

&

&

7 0

Išvesties prievadas

Įvesties prievadas

tribūvis buferis


Duomenų mainai su PĮ

Atsižvelgiant į persiunčiamų duomenų kiekį bei PĮ darbo spartą, pasirenkamas vienas iš dviejų mainų tipų:

a) programa valdomi duomenų mainai – kai perduodama mažai duomenų ir kreipiantis į atmintį, ir PĮ darbo sparta nedidelė

b) tiesioginiai duomenų mainai - kai perduodamų duomenų apimtis didelė ar PĮ darbo sparta didelė


Programa valdomi duomenų mainai

Šiuo atveju mainus valdo procesorius, tam naudodamas įvesties ir išvesties komandas IN ir OUT

Priklausomai nuo įtaiso tipo ir jo darbo ypatumų skiriami trys atvejai:

a) besąlyginiai mainai,

b) sąlyginiai mainai,

c) mainai pagal pertraukties signalą



a) besąlyginiai mainai b) sąlyginiai mainai

in/out port

in/out port

Pasi-rengęs?

Ne

Taip



c) mainai pagal pertraukties signalą

Pagrindinė programa

Pertr. sistemos parengimas

Mainų parengimas

Mainų papro-gramė

INTR

INTR

...


Tiesioginiai duomenų mainai

Tiesioginiais duomenų mainais vadinamas toks duomenų įvedimas ir išvedimas, kuris vyksta tarp sistemos pagrindinės atminties ir įvesties ar išvesties įtaisų, nedalyvaujant (tiesiogiai) procesoriui

Visas duomenų mainų valdymo funkcijas atlieka specialus įtaisas, kurį vadiname kanalu (klasika – didieji kompiuteriai) ar tiesioginių mainų su atmintimi kontroleriu (mikroprocesorinėse sistemose)



Procesorius parengia duomenų mainus, nusiųsdamas reikalingą informaciją (duomenų adresą atmintyje, baitų skaičių, operacijos tipą ir t.t.) kanalui ar kontroleriui, parengia pertraukčių sistemą ir toliau dirba kitą darbą

Bet kuriuo pagrindinės programos vykdymo momentu, kai periferinis įrenginys pasiruošęs tiesioginiams duomenų mainams, kanalas siunčia tiesioginių mainų reikalavimo signalą, kadangi jam reikalinga magistralė (vienam žodžiui perduoti)



Procesorius leidžia atlikti duomenų mainus (perduoti žodį), leisdamas valdyti magistralę kanalui ar kontroleriui; tai vadinama ciklo užėmimu

Duomenų mainų procesas tęsiasi tol, kol perduodamas nustatytas baitų skaičius (duomenų masyvo ilgis)

Pabaigus įvesti ar išvesti nustatyto ilgio duomenų masyvą, kanalas siunčia pabaigos signalą į PĮ bei pertraukties signalą į CPU, informuodamas juos apie duomenų mainų pabaigą



CPU vykdo kitą procesą

CPU parengia mainus, progr. TKA kontrolerį

TKA valdo mainus

tarp disko ir atminties

INTR

...

Cik- lų

už-ėmi-mas


Klasika: IBM kanalai

Procesorius

KanalasPagrindinė

atmintisI/O

kontroleris


Pagrindinės kanalo funkcijos

nurodyti duomenų masyvo adresą atmintyje; nurodyti duomenų masyvo ilgį; formuoti (nuosekliai) atminties adresus; skaičiuoti perduodamų duomenų kiekį; nustatyti operacijos pabaigą; buferizuoti duomenis; keisti duomenų formatus (pagal PĮ ir Atm); įgalinti praleisti atskirus duomenų srauto gabalus; minimizuoti procesoriaus įsikišimą, kai sudaromos

komandų grandinėlės; formuoti pertraukties užklausimo signalą; perduoti informaciją apie periferinio įtaiso būseną.


Tiesioginių mainų su atmintimi kontroleris (8237A)

0 kanalasDuomenų

magistralės buferis

1 kanalasKontr. vald.

blokas

2 kanalasRežimų vald.

blokas

3 kanalas

TR(16)

CR(8)

SR(8)

RR(4)

MASK(4)

CAR (16)

BAR (16)

CWR (16)

MR (6)

WCR (16)

DREQ0

DACK0

D

Valdymo signalai

DREQ1

DACK1

DREQ2

DACK2

DREQ3

DACK3

A


Registrai

Registrai: CR – Command Register CAR – Current Address Register SR – Status Register BAR – Basic Address Register SR – Request Register CWR – Current WordCount Register MASK – Mask Register WCR – Basic WordCount Register


Uždaviniai


Dviejų krypčių kešo dydis - 256 KB, jo eilutės ilgis - 32 baitai.

Vietai eilutėje nurodyti reikės log232 = 5 bitų.Eilutės numeriui (indeksui) nurodyti reikės

log2(256K/(2x32)) = log24K = 12 bitų.Tegui lieka 32 – 5 – 12 = 15 bitųAtminties adreso struktūra:

tegas eilutės numeris (indeksas) vieta eilutėje

31 17 16 5 4 0

Informacijos adresavimas keše


Pakeiskime krypčių skaičių:

Aštuonių krypčių kešo dydis - 256 KB, jo eilutės ilgis - 32 baitai.

Vietai eilutėje nurodyti reikės log232 = 5 bitų.Eilutės numeriui (indeksui) nurodyti reikės

log2(256K/(8x32)) = log21K = 10 bitų.Tegui lieka 32 – 5 – 10 = 17 bitųAtminties adreso struktūra:

tegas eilutės numeris (indeksas) vieta eilutėje

31 15 14 5 4 0

Informacijos adresavimas keše


Sparčiosios transliacijos buferis

Puslapių lentelė

Loginio puslapio numeris Baito poslinkis

Fizinio puslapio numeris Baito poslinkis

Sparčiosios transliacijos

buferis

ORPuslapio atmintyje nėra

Loginis adresas iš procesoriaus

Miss

Įkrauti TLB

Hit

Puslapių mainai su disku

Fizinis adresas į atmintį


Keturių krypčių TLB dydis - 32 įrašai,

VA puslapio ilgis - 2 Kbaitai.

Vietai puslapyje nurodyti reikės log22KB = 11 bitų.

Tai turime įvertinti aiškindamiesi atminties adreso struktūrą, nes šie bitai nėra transliuojami (žr. ankstesnę skaidrę)

Eilutės numeriui (indeksui) nurodyti reikės log2(32/2) = log216 = 4 bitų.

Tegui lieka 32 – 11 – 4 = 17 bitų

Informacijos adresavimas TLB


Taigi: Vietai puslapyje nurodyti - 11 bitų Indeksui nurodyti - 4 bitų Tegui lieka 32 – 11 – 4 = 17 bitųAtminties adreso struktūra:

tegas ind vieta puslapyje31 15 14 11 10 0

Informacijos adresavimas TLB

Įrašo struktūra:

V ir kt. Tegas (17 bitų) Fizinio psl. Nr.(21 bitas)??? 38 37 21 20 0

Documents

KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA