Конспект лекций архитектура аппаратных средств. 10.-Конспекты-лекций.-ОП.02-Арх-итектура-аппаратных-средств.-09.. Конспекты лекций по дисциплине
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
Регистр и регистровый вид памяти Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен еще один вид памяти — регистровый. Регистр — это устройство для кратковременного хранения информации в процессе ее обработки. Еще раз обращаем внимание на то, что регистры входят в состав процессора, а не образуют отдельное устройство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машинной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего один-два десятка регистров Иерархия памяти. Роль оперативной памяти. Многозадачность. Кэш память = сверхоперативная память Известно, что память ЭВМ предназначена для хранения программ и данных, причем эффективность работы ЭВМ во многом определяется характеристиками ее памяти. Во все времена к памяти предъявлялись три основных требования: большой объем, высокое быстродействие и низкая (умеренная) стоимость. Все перечисленные выше требования к памяти являются взаимно- противоречивыми, поэтому пока невозможно реализовать один тип ЗУ, отвечающий всем названным требованиям. В современных ЭВМ организуют комплекс разнотипных ЗУ, взаимодействующих между собой и обеспечивающих приемлемые характеристики памяти ЭВМ для каждого конкретного применения. I. Регистровая память – местная память процессора. Отличительные черты: 1)Самая быстрая 2)Самое маленькое время доступа 3)Большая стоимость 4)Маленькая емкость “регистры”(registers) – модули, построенные на триггерах. Триггер - это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. (вдруг спросит) В регистрах хранятся операнды(числа(двоичные), которые процессор обрабатывает, при выполнении текущей команды) или результаты их команд, которые выполняет процессор в текущем такте. II. Сверхоперативная память СОЗУ обладает максимальным быстродействием (равным процессорному), небольшим объемом (10 5 — 10 7 байтов) и располагается, как правило, на кристалле процессорной БИС. Для обращения к СОЗУ не требуются магистральные (машинные) циклы. В СОЗУ размещаются наиболее часто используемые на данном участке программы данные, а иногда — и фрагменты программы. В вычислительных системах используют многоуровневый кэш 1. Кэш процессора 1го уровня (L1) — время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт 2. Кэш процессора 2го уровня (L2) — большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более 3. Кэш процессора 3го уровня (L3) — время доступа около сотни тактов, размером в несколько мегабайт (в массовых процессорах используется с недавнего времени) В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш, в серверных - трехуровневый. Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью. III. Оперативная память Служит для размещения туда программ целиком и сегментных данных, которые она использует. Связь между процессором и ОЗУ осуществляется по системному или специализированному интерфейсу и требует для своего осуществления машинных циклов ОЗУ системы — время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры в несколько гигабайт, вплоть до десятков. Время доступа к ОЗУ может варьироваться для разных его частей в случае комплексов класса NUMA (с неоднородным доступом в память) Организационные методы (сплошная и сегментированная) распределения памяти позволяют организовать вычислительную систему, в которой рабочее адресное пространство программы превышает размер фактически имеющейся в системе оперативной памяти, при этом недостаток оперативной памяти заполняется за счет внешней более медленной или более дешевой памяти (винчестер, флэш-память и т.п.) Такую концепцию называют виртуальной памятью. Кратко: Оперативная память n В оперативной (внутренней) памяти компьютера хранятся данные и программы. n Оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных, начиная с нуля, ячеек. n В каждой ячейке оперативной памяти может храниться двоичный код. IV. Внешняя память Информация, находящаяся в ВЗУ, не может быть непосредственно использована процессором. Для использования программ и данных, расположенных в ВЗУ, их необходимо предварительно переписать в ОЗУ. Процесс обмена информацией между ВЗУ и ОЗУ осуществляется средствами специального канала или (реже) — непосредственно под управлением процессора. Объем ВЗУ практически неограничен, а быстродействие на 3 — 6 порядков ниже процессорногo Кроме реализации системы виртуальной памяти внешние ЗУ используются для долговременного хранения программ и данных в виде файлов. Большинство операционных систем (ОС) поддерживают многозадачность. Они последовательно переключают задачи одну на другую.В каждый момент времени процессор выполняет только одну задачу. В многопоточных процессорах одновременно могут выполняться несколько задач. ОС планирует какая из задач будет выполняться следующей, выбирает эту задачу и переключает контексты задач. Методы переключения зависят от стратегии, выбранной ОС. Энергонезависимая память=внешняя память. Вопрос 17 Иерархия памяти. Роль оперативной памяти. Чем может быть обусловлено применение виртуальной памяти. - 1) 2) Роль оперативной памяти - ОЗУ предназначено для хранения переменной информации; оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения вычислительного процесса. Таким образом, процессор берёт из ОЗУ код команды и, после обработки каких-либо данных, результат обратно помещается в ОЗУ. Причем возможно размещение в ОЗУ новых данных на месте прежних, которые при этом перестают существовать. В ячейках происходит стирание старой информации и запись туда новой. Из этого видно, что ОЗУ является очень гибкой структурой и обладает возможностью перезаписывать информацию в свои ячейки неограниченное количество раз по ходу выполнения программы. Поэтому ОЗУ играет значительную роль в ходе формирования виртуальных адресов. 3) Виртуальная память представляет собой совокупность всех ячеек памяти оперативной и внешней, имеющих сквозную нумерацию от нуля до предельного значения адреса. виртуальная память позволяет модифицировать ресурсы памяти, сделать объём оперативной памяти намного больше, для того чтобы пользователь, поместив туда как можно больше программ, реально сэкономил время и повысил эффективность своего труда. Контрольные вопросы: 1. Какие виды памяти применяются в ЭВМ? 2. Что такое ОЗУ? 3. Что такое ПЗУ? 4. Что такое КЕШ память? 5. Что такое ВЗУ? ЛЕКЦИЯ 11 Виды интерфейсов. Внутренние и внешние интерфейсы. План. 1. Контрольный опрос; 2. Какие виды интерфейсов применяются в ЭВМ; 3. Характеристики внутренних интерфейсов; 4. Характеристики внешних интерфейсов. Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или частей. В интерфейсе обычно предусмотрено сопряжение на двух уровнях: – механическом (провода, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов ит.д.) – логическом (сигналы, их длительность, полярности, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия). Все интерфейсы ЭВМ можно разделить на внутренние и внешние: – внутренние – система связи и сопряжения узлов и блоков ПК между собой; – внешние – обеспечивают связь ПК с внешними (периферийными) устройствами и другими компьютерами. Существуют два варианта организации внутреннего интерфейса: – многосвязный интерфейс: каждый блок ПК соединен с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс иногда применяется в качестве периферийного интерфейса (для связи с внешними устройствами ПК); – односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую, или системную шину. В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина (совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно). Под системной шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью (количество линий связи в шине, т.е. число битов, которое может быть передано по шине одновременно) и частотой (частота, с которой передаются последовательные биты информации по линиям связи). Если интерфейс является общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждое устройство, используемое в компьютерной системе, должно каким-то образом подключаться к этой системе. Точка подключения называется интерфейсом. Устройства хранения не являются исключением — у них тоже есть интерфейсы. Знать об интерфейсах важно по двум основным причинам: существует множество разных (зачастую несовместимых) интерфейсов разные интерфейсы могут отличаться ценой и производительностью. К сожалению, не существует одного универсального интерфейса устройств или какого-то одного интерфейса устройств хранения. Поэтому системные администраторы должны знать, какие интерфейсы поддерживаются компьютерами в их организации. В противном случае, планируя обновление компьютеров, есть реальный риск приобрести неподходящее оборудование. Разные интерфейсы имеют разную производительность, поэтому одни интерфейсы могут больше подходить для определённых окружений, чем другие. Например, интерфейсы, способные поддерживать высокоскоростные устройства, лучше подходят для серверов, тогда как для обычных рабочих станций будет достаточно более медленных интерфейсов. Такая разница в производительности также приводит к разнице в цене, ведь вы всегда получаете то, за что платите. Высокопроизводительные компьютеры стоят недешёво. Основные интерфейсы материнской платы Внутренние интерфейсы предназначены для подключения компонентов, расположенных внутри системного блока. Все контроллеры и шины внутренних интерфейсов размещаются на системной плате. К важнейшим внутренним интерфейсам относятся: – системная шина с разъемом процессора; – шина памяти с разъемами модулей памяти; – шина и слот видеокарты; – шины и слоты плат расширения; – шины и порты накопителей (жесткий диск, дисковод, DVD); – шина и разъемы электропитания; – линии и порты интерфейса управления питанием; – порты и панели индикации; Внешние порты — представляют собой интерфейс или точку взаимодействия между компьютером и другим периферийным устройством. Основное предназначение таких портов — обеспечение места подключения кабеля устройства для передачи и получения данных от центрального процессора. В этой статье мы рассмотрим какими бывают внешние порты компьютера, а также рассмотрим основные порты и их предназначение. Внешние разъемы компьютера еще называют коммуникационными портами, так как они отвечают за связь между компьютером и периферийными устройствами. Как правило, основа порта размещается на материнской плате. Все внешние интерфейсы компьютера делятся на два вида, в зависимости от их вида и протокола, используемого для связи с центральным процессором. Это последовательные и параллельные порты. Последовательный (serial) порт — это интерфейс, через который устройства могут быть подключены с использованием последовательного протокола. Этот протокол позволяет передавать один бит данных за один раз по одной линии. Наиболее распространенный тип последовательного порта — D-sub, который позволяет передавать сигналы RS-232. Параллельный порт работает немного по-другому, обмен данными между периферийным устройством осуществляется параллельно с помощью нескольких линий связи. Большинство портов для современных устройств — параллельны. Дальше мы рассмотрим более подробно каждый тип внешних интерфейсов компьютера, а также их предназначение. Контрольные вопросы: 1. Назовите функции интерфейсов. 2. Каик характеристики имеют современное интерфейсы? 3. Какие внешние интерфейсы не используются в настоящее время? ЛЕКЦИЯ 12 Основные компоненты программного обеспечения компьютерных систем. План. 1. Контрольный опрос 2. Назначение POST; 3. Как происходит Загрузка ПК; 4. Типы ОС и ихпредназначение. POST (англ. Power-On Self-Test) — процедура проверки работоспособности аппаратного обеспечения компьютера, выполняемая при его включении. После прохождения этой процедуры на экран выводиться сообщение о результатах тестирования и системный динамик издает звуковой сигнал. В случае успешного прохождения POST системный динамик издаёт один короткий звуковой сигнал, в случае сбоя — различные последовательности звуковых сигналов. Пример окна с результатами положительного тестирования процедурой POST Рис.1 Окно процедуры POST Полный регламент работы POST: Проверка регистров процессора; Проверка контрольной суммы ПЗУ; Проверка системного таймера и порта звуковой сигнализации (для IBM PC — ИМС i8255 или аналог); Тест контроллера прямого доступа к памяти; Тест регенератора оперативной памяти; Тест нижней области ОЗУ для проецирования резидентных программ в BIOS; Загрузка резидентных программ; Тест стандартного графического адаптера (VGA); Тест оперативной памяти; Тест основных устройств ввода (НЕ манипуляторов); Тест CMOS; Тест основных портов LPT/COM; Тест накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД); Тест накопителей на жёстких магнитных дисках (НЖМД); Самодиагностика функциональных подсистем BIOS; Передача управления загрузчику. Выбор между прохождением полного или сокращенного набора тестов при включении компьютера можно задать в программе настройки базовой системы ввода-вывода, Setup BIOS. В современных компьютерах процесс загрузки большей частью автоматизирован, однако это не означает, что он не заслуживает того, чтобы с ним познакомиться. Основные определения и этапы загрузки операционной системы Включение компьютера, POST, BootMonitor Начальный этап загрузки операционной системы после включения компьютера начинается в BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода). В настройках BIOS мы указываем загрузочное устройство, или ряд загрузочных устройств в порядке их приоритета. Возможны различные варианты загрузки и их комбинации: с жесткого диска, CD/DVD – диска, USB-flash и другие. Сразу после прохождения POST (Power-On Self-Test — самотестирование после включения) BIOS компьютера начнет поочередно перебирать указанные загрузочные устройства до тех пор, пока на одном из них не найдет подходящую специальную запись, в которой содержится информация о дальнейших действиях. Загрузчик 1-го уровня. Master Boot Record Master Boot Record — главная загрузочная запись, расположена в первых физических секторах загрузочных устройств хранения. Она содержит таблицу разделов (Partition Table) и исполняемый код. Главной задачей программы, записанной в MBR, является поиск активного системного раздела диска и передача управления его загрузочному сектору. Таким образом, эту стадию можно назвать подготовительной, в силу того, что непосредственно загрузки самой ОС еще не происходит. Системным принято называть раздел диска (устройства хранения) на котором расположены файлы операционной системы, отвечающие за процесс загрузки ОС (сама операционная система может размещаться в другом разделе). В принципе, системных разделов может быть несколько, поэтому один из них отмечается как активный. Именно его ищет программа, загруженная с MBR. Загрузчик 2-го уровня. Partition Boot Sector Следующим этапом загрузки компьютера является передача управления исполняемому коду, записанному в PBS (Partition Boot Sector — загрузочный сектор активного раздела). PBS расположен в первом секторе (секторах) соответствующего раздела диска. В коде PBS прописано имя файла загрузчика операционной системы, которому и передается управление на этом этапе. Начальный этап загрузки операционной системы. Менеджер загрузки ОС Первоначально в Linux загрузчиком являлся LILO (Linux Loader). В силу имевшихся в нем недостатков, главным из которых была неспособность понимать используемые в Linux файловые системы, позднее начал использоваться загрузчик GRUB (GRand Unified Bootloader) в котором недостатки LILO были исправлены. Если речь идет о версиях Windows до Vista, например, Windows XP, то будет загружен Ntldr. Он, в свою очередь, считывает информацию из текстового файла Boot.ini, в котором записана информация об установленных операционных системах. Загрузка ядра операционной системы Завершающим этапом загрузки операционной системы является загрузка ядра ОС и передача ему управления. Несколько лет назад в моей практике был такой забавный случай. Меня попросили помочь одному человеку купить и привести в порядок компьютер для дома. Товарищ этот на тот момент времени только-только вышел на пенсию, а до этого работал в должности начальника и компьютер видел, по большей части, издалека, на столе у своей секретарши. После выхода на пенсию у него появилось время и желание компьютер освоить. Ну что, по-моему, замечательно. Компьютер мы ему подобрали недорогой, но добротный и с хорошим, по тем временам, монитором. Я поставил и настроил кое-какие программы, показал как ими пользоваться. Господин обзавелся книжкой из серии «Что-то там для чайников» и мы расстались абсолютно довольные друг другом. Примерно через неделю мой подопечный позвонил мне по телефону и чуть не плача сообщил, что все пропало и компьютер больше не работает. Благо, запираться он не стал и честно рассказал, как было дело. А дело было так. Товарищ полез исследовать содержимое своего компьютера и нашел в корне диска С:\ несколько подозрительных и «ненужных», на его взгляд, файлов. Он решил освободить место и файлики эти попросту удалил. Думаю, что все уже догадались, что это были boot.ini, ntldr, ntdetect и др. Поправить ситуацию сложности не представляло, разве что пришлось ехать к нему еще раз. К слову сказать, для того, чтобы получить проблемы с загрузкой Windows XP, можно было и ничего не стирать, а слегка «подправить», например, boot.ini. Видимо Microsoft как то узнала об этом случае и в следующей версии своей ОС решила припрятать файлы загрузчика получше. Особенности загрузки операционных систем Windows Vista / 7 / 8 В Windows Vista или Windows 7 / 8 диспетчер загрузки называется Bootmgr. Он читает список установленных операционных систем не из простого текстового файла, коим является boot.ini, а из системного хранилища BCD (Boot Configuration Data), доступ к которому осуществляется посредством специальной утилиты bcdedit.exe . Но это еще не все. Откроем “Управление компьютером” –> “Управление дисками” > Процесс стандартной инсталляции операционной системы Windows Vista / 7 / 8 создает в начале диска дополнительный раздел «Зарезервировано системой». Ему не присваивается буква диска, благодаря чему, если не сделать дополнительных шагов, и сам раздел и его содержимое будут скрыты от пользователя. Этот основной раздел имеет статус «Системный» и «Активный» и, следовательно, удалить его тоже нельзя. В Windows 7 размер такого раздела составляет 100 МБ, из которых занято около 30 МБ, в Windows 8 – уже 350 МБ, причем занято из них 105 МБ. Такая разница объясняется тем, что в Windows 8 на этот раздел перенесена папка “Recovery”. Посмотрим содержимое раздела «Зарезервировано системой». Для этого назначим ему букву диска, например, «W» в “Управление дисками”. Дополнительно откроем «Панель управления» –> «Параметры папок» и на вкладке «Вид» снимем галку с «Скрывать защищенные системные файлы» и поставим отметку на «Показывать скрытые файлы, папки и диски». Если в системе установлен файловый менеджер FAR Manager, то для просмотра можно воспользоваться им и не заниматься настройкой видимости скрытых файлов. Так выглядит содержимое раздела «Зарезервировано системой» в Windows 8 > Как и ожидалось, в корне раздела мы видим загрузчик Bootmgr. А так выглядит часть содержимого папки «Boot» > В папке мы находим базу хранилища данных конфигурации загрузки BCD и сопутствующие ей папки с языковыми файлами и файлами шрифтов. Для полноты картины осталось сказать о том, какой раздел называется загрузочным. Ответ уже показан на картинке с томами Windows 7. Очевидно, что это раздел, на котором находятся все основные файлы операционной системы. Ну что же, запомнить названия разделов диска очень легко по принципу «всё наоборот» — на системном нет системы (операционной), но расположен загрузчик третьего уровня, на загрузочном как раз отсутствует загрузчик, но находится сама система . Естественно, эта «запоминалка» работает только тогда, когда есть несколько разделов. Если раздел один, то он может быть сразу системным, активным и загрузочным. Главной задачей загрузчика 3-го уровня, в роли которого выступает, в зависимости от типа ОС, Bootmgr, Ntldr или GRUB, является чтение с загрузочного диска и загрузка ядра операционной системы. Кроме того, в случае множественной загрузки, когда на компьютере установлено несколько операционных систем, загрузчик 3-го уровня позволяет выбирать нужную при каждом запуске компьютера. Классической ошибкой, которой Microsoft посвятила отдельную статью, является установка Windows XP после Windows Vista / 7 /8. Установщик Windows XP помечает свой раздел как активный, после чего, во время загрузки, MBR передает управление PBS этого раздела а он, в свою очередь, — Ntldr. Загрузчик Windows XP ничего не знает о более поздних версиях операционных систем Windows и их загрузка становится |