Размер шрифта
  • A
  • A
  • A
Цвета сайта
  • A
  • A
  • A
  • БЕЗ КАРТИНОК
  • С КАРТИНКАМИ



"Объясняем.РФ"

















"Архитектура компьютерных систем" в колледже в Омске

Компьютерная система имеет модульную структуру. Для каждого устройства (память, внешние устройства) в системе имеется специальное устройство управления
(иначе говоря, специальный процессор), называемый контроллером устройства. Все модули (центральный процессор, память и контроллер памяти, внешние устройства и их контроллеры) соединены между собой системной шиной (system bus), через которую они обмениваются сигналами. Работой каждого контроллера управляет драйвер -
специализированная низкоуровневая программа, являющаяся частью ОС.

Центральный процессор – устройство, выполняющее команды компьютерной системы. В современных компьютерах, как правило, он является многоядерным, т.е. имеет в своем составе от 2 до 32 ядер (копий) процессора, параллельно работающих на общей памяти, либо гибридным, состоящим из центрального и графического  роцессоров. Производительность каждого ядра – 3 – 3.2 GHz. Под производительностью понимается в данном случае тактовая частота процессора (ядра) – время выполнения им одной самой простой машинной команды. Однако есть и другие важные факторы, определяющие общую производительность системы, - тактовая частота памяти и системной шины. Итоговую производительность системы можно оценить по самой медленной из этих частей системы (обычно это системная шина).

Многоядерные компьютеры (Multi-core computers) – получившая наиболее широкую популярность в настоящее время архитектура компьютеров, при которой каждый процессор имеет несколько ядер (cores), объединенных в одном кристалле и параллельно работающих на одной и той же общей памяти, что дает широкие возможности для параллельных вычислений.

Все ведущие фирмы мира заняты разработкой и выпуском все более мощных многоядерных процессоров. Соответственно, создатели операционных систем для таких  компьютеров разрабатывают базовые библиотеки программ, позволяющие в полной мере использовать возможности параллельного выполнения на многоядерных процессорах.

Hybrid processor computers (компьютеры с гибридными процессорами) – новый, все шире распространяющийся подход к архитектуре компьютеров, при котором процессор имеет гибридную структуру – состоит из (многоядерного) центрального процессора (CPU) и (также многоядерного) графического процессора (GPU – Graphical Processor Unit).

Такая архитектура была разработана, в связи с необходимостью параллельной обработки графической и мультимедийной информации, что особенно актуально для компьютерных игр, просмотре на компьютере высококачественного цифрового видео и др.

Симметричная мультипроцессорная система - symmetric multiprocessing (SMP) – это многопроцессорная компьютерная система, все процессоры которой равноправны и используют одну и ту же копию ОС. Операционная система при этом может выполняться на любом процессоре.

В такой системе любому свободному процессору может быть поручено любое задание. Все процессоры используют общую память и общие дисковые ресурсы. Несколько процессов (или потоков) могут исполняться одновременно без существенного нарушения производительности. Большинство современных ОС поддерживают архитектуру SMP.

Асимметричная мультипроцессорная система (asymmetric multiprocessing) – это многопроцессорная компьютерная система, в которой процессоры специализированы по своим функциям.

Каждому процессору дается специфическое задание; главный процессор (master processor) планирует работу подчиненных процессоров (slave processors). В такой системе ОС, как правило, выполняется на одном определенном, закрепленном за ней, центральном процессоре.

Оперативная память – устройство, хранящее обрабатываемые данные. Объем памяти – 1 – 16 гигабайт и более; меньший объем памяти использовать не рекомендуется, так как это может привести к значительному замедлению системы.
Тактовая частота памяти – 667 MHz – 1.5 GHz.

Системная шина – устройство, к которому подсоединены все модули компьютера и через которое они обмениваются сигналами, например, о прерываниях.
Тактовая частота шины – 1 – 1.5 GHz (это и есть фактически некая суммарная производительность системы).
Обычно используется шина типа PCI (Personal Computer Interface). К ней могут быть подсоединены процессор, память, диски, принтер, модем и другие внешние устройства.

Порты – устройства с разъемами для подключения к компьютеру внешних устройств. Каждый порт имеет свой контроллер (и, соответственно, свой драйвер).

Наиболее распространен ныне стандарт USB 2.0, обеспечивающий быстродействие порта 240 – 260 килобит в секунду.

Функционирование компьютерной системы
Преимущество модульного подхода

Преимущество описанного модульного подхода к аппаратуре в том, что центральный процессор, память и внешние устройства могут функционировать параллельно.
Работой каждого устройства управляет специальный контроллер.

При необходимости выполнения ввода-вывода центральный процессор генерирует прерывание, в результате которого вызывается операционная
система, в свою очередь, в качестве реакции на прерывание запускающая драйвер устройства, соответственно, активизирующий его контроллер.

Буфер устройства

 Каждый контроллер устройства имеет локальный буфер – специализированную память для обмена информацией между компьютером и устройством.

Для того, чтобы контроллер мог начать вывод на устройство, предварительно центральный процессор (точнее, драйвер устройства, запущенный на нем) должен переслать информацию из заданной области оперативной памяти в буфер устройства.

Далее контроллер устройства уже выполняет вывод информации из буфера на само устройство (например, записывает ее в заданную область жесткого диска).

DMA– контроллеры

По окончании обмена и информацией, контроллер генерирует сигнал о прерывании (interrupt) по системной шине, этим информируя процессор об окончании операции.

Для того, чтобы избежать повторных пересылок больших объемов информации, в современных компьютерах применяют DMA (Direct Memory Access) – контроллеры –  контроллеры с прямым доступом к оперативной памяти.
Такие контроллеры используют при обмене с устройством не свою специализированную память, а напрямую область оперативной памяти, в которой и размещается буфер обмена.

Обработка прерываний

Операционную систему можно рассматривать как программу, управляемую прерываниями (interruptdriven program).

Прерывание центрального процессора передает управление подпрограмме обработки данного вида прерываний, являющейся частью ОС.

В большинстве компьютеров этот механизм реализован через вектор прерываний (interrupt vector) – резидентный массив в оперативной памяти, в котором хранятся доступные по номерам прерываний адреса подпрограмм-обработчиков прерываний (модулей ОС).

При обработке прерывания аппаратура и ОС сохраняют адрес прерванной команды. При возобновлении вычислений будет вновь повторено выполнение прерванной команды.

Очередь прерываний

Очевидно, что при обработке прерывания, в свою очередь, может возникнуть другое прерывание. В этом случае новое входящее прерывание задерживается (disabled), и информация о нем запоминается в очереди прерываний – системной структуре ОС, обеспечивающей поочередную обработку всех возникших прерываний.

ОС как набор обработчиков прерываний

Кроме прерываний, генерируемых аппаратурой неявно при вычислениях (например, отсутствие страницы в оперативной памяти), возможно также программируемое прерывание (trap; дословно – ловушка) с помощью специальной команды процессора, - например, при обнаруженной ошибке в программе.

В случае такого прерывания также работает общий механизм запуска обработчика прерывания – части ОС. Таким образом, с упрощенной точки зрения, ОС можно рассматривать как набор обработчиков прерываний. ОС как набор обработчиков прерываний

При прерывании ОС сохраняет состояние процессора – значения регистров и значение счетчика команд (program counter – PC) – адреса прерванной команды.

Обработчик прерывания в ОС определяет по содержимому сегмента объектного кода, какого вида прерывание возникло и какие действия по его
обработке следует предпринять.

Прерывания по таймеру

Среди возможных видов прерываний, кроме фиксации различных ошибок, имеются также прерывания по таймеру – периодические прерывания через определенный квант времени, предназначенные для опроса устройств (polling) – действий операционной системы по периодической проверке состояния всех портов и внешних устройств, которое может меняться с течением времени: например, к USB-порту была gодключена флэшка; принтер закончил печать и освободился, и т.д.

ОС выполняет реконфигурацию системы и корректирует системные таблицы, хранящие информацию об устройствах.

Структура памяти
Оперативная и внешняя память

Основная (оперативная) память – единственная крупная часть памяти, к которой процессор имеет непосредственный доступ.

Внешняя (вторичная) память – расширение основной памяти, обеспечивающее функциональность устойчивой (сохраняемой) памяти большого объема.

В качестве вторичной памяти чаще всего используются жесткие диски (hard disks). Физически они состоят из твердых пластин из металла или стекла, покрытых магнитным слоем для записи. Поверхность диска логически делится на дорожки (tracks), которые, в свою очередь, делятся на секторы. Контроллер диска определяет логику взаимодействия между устройством и компьютером.

Устройство жесткого диска

Цилиндр - это группа вертикально расположенных друг под другом секторов различных магнитных дисков с одним и тем же номером дорожки.

Ассоциативная память

Системы памяти организованы в иерархию, исходя их быстродействия, стоимости и возможности сохранения информации (устойчивости).

Для оптимизации работы памяти любого вида используется ассоциативная память (кэш – cache), размещаемая в более быстродействующих системах памяти и хранящая  наиболее часто используемые элементы более медленной памяти.

С этой точки зрения, оперативную память можно рассматривать как кэш для внешней памяти. Кэш-память – это, по сути дела, ассоциативный список пар (Адрес, Значение), причем аппаратный поиск в ней происходит по адресу как по ключу.

Таким образом, перед обращением к медленной внешней памяти сначала происходит поиск по заданному адресу в кэш-памяти, и только если он не привел к успеху, выполняется стандартное обращение к внешней памяти.
Принцип кэширования очень важен и позволяет существенно ускорить работу со внешней памятью.

Аппаратура и ОС поддерживают кэш команд, кэш данных, кэш жесткого диска и т.д. – для всех видов памяти.

Виртуальная память

В случае нехватки памяти (ОЗУ), необходимой для запуска или работы приложения, Windows использует виртуальную память, чтобы восполнить нехватку.
Виртуальная память - это сочетание памяти ОЗУ и временного хранилища на жестком диске. Если памяти ОЗУ недостаточно, данные из оперативной памяти помещаются в хранилище, которое называется файлом подкачки.

Перемещение данных в файл подкачки и из него освобождает достаточно оперативной памяти для выполнения операции.

Хотите узнать больше об  "Архитектура компьютерных систем"?

Добро пожаловать в АНПОО «СРШБ (колледж)» для обучения по специальности 09.02.07 Информационные системы и программирование. Доступна очная и заочная формы обучения.