AP2, IN2 Výpočetní systémy II

(Procesory, jejich parametry a architektury. Architektura Intel. Vnitřní a vnější paměti a principy jejich funkce. Vstupní a výstupní zařízení počítače a jejich připojování)

• RAM –- paměť pro čtení i zápis
• ROM –- paměť pouze pro čtení
• Paměť s přímým přístupem
• Paměť se sekvenčním přístupem
• Vnitřní (operační) paměť
• Vnější (periferní) paměť
• Registr
• V/V zařízení (I/O equipment)
• Řadič (Controller) – zařízení převádějící příkazy v symbolické formě (instrukce) na posloupnost
signálů ovládajících připojené zařízení

1945: Architektura „von Neumann“
IAS Computer: Priceton Institute for Advanced Studies

1. Počítač obsahuje operační paměť, ALJ, řadič, V/V zařízení.
2. Předpis pro řešení úlohy je převeden do posloupnosti instrukcí.
3. Údaje a instrukce jsou vyjádřeny binárně.
4. Údaje a instrukce se uchovávají v paměti na místech označených adresami.
5. Ke změně pořadí prováděných instrukcí se používají instrukce podmíněného a nepodmíněného skoku.
6. Programem řízení zpracování dat probíhá v počítači samočinně.
7. Podstatným rysem této architektury je fakt, že instrukce a data jsou (oproti například Harvardské architektuře) uložena ve stejné paměti (viz Wikipedia).

• zelená (dvojitá) šipka - tok dat
• červená (klasická) šipka - povely
• modrá (prerušovaná) šipka - z V/V stavová hlášení, z paměti instrukce

Procesor je synchronní stroj řízený řadičem.

• Základní frekvence = takt procesoru
• Strojový cyklus = čas potřebný k zápisu (čtení) slova z paměti (např. 3 takty)
• Instrukční cyklus = čas potřebný pro výběr a provedení instrukce

Instrukce se skládá z operačního kódu a nepovinných adres operandů (1 nebo 2 adresy)

• řadič nebo řídicí jednotka, jejíž jádro zajišťuje řízení činnosti procesoru v návaznosti na povely programu, tj. načítání instrukcí, jejich dekódování (zjištění typu instrukce), načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí.
• sada registrů (v řadiči) k uchování operandů a mezivýsledků. Řadič obsahuje celou řadu rychlých pracovních pamětí malé kapacity, tzv. registrů, které slouží k jeho činnosti. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální) a řídící (např. registr adres instrukcí, stavové registry, indexregistry). Velikost pracovních registrů je jednou ze základních charakteristik procesoru.
• jedna nebo více aritmeticko-logických jednotek (ALU – Arithmetic-Logic Unit), které provádí s daty příslušné aritmetické a logické operace.
• některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), které provádí operace v plovoucí řádové čárce

• podle délky operandu v bitech tj. šířka operandu, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. (16bitový, 32bitový, 64bitový…)

• podle struktury procesoru RISC, CISC, jednoduché procesory (ochrana paměti), jednočipový mikropočítač (samostatně činný procesor, v perifériích), DSP (digitální signálový procesor je procesor zaměřený na zpracování signálu)

• podle počtu jader

Zásadním parametrem, který je u procesoru důležitý, je frekvence práce jeho jádra.

Důležitým faktorem celkového výkonu procesoru je tedy nyní i velikost vyrovnávací paměti procesoru, která se označuje cache.

Cache – Je zařazena mezi dva subsystémy s různou rychlostí a vyrovnává tak rychlost přístupu k informacím. Cache může být hardwarová a softwarová.

Cache paměť v procesoru ukládá kopie dat přečtených z adresy v operační paměti. Pokud při čtení obsahu slova z adresy v paměti je tato položka nalezena v cache paměti, je její obsah přečten z cache paměti a ne z operační paměti (angl. cache hit). Mezi procesorem a cache pamětí se přenášejí jednotlivá slova, mezi cache pamětí a operační pamětí se přenášejí rámce slov o velikosti několikanásobku velikosti slova procesoru. Protože asi 90 % operací procesoru je čtení paměti, většinou sekvenční, je tímto způsobem dosaženo větší propustnosti dat z operační paměti do procesoru, tím i vyššího výpočetního výkonu.

Vyrovnávací paměť procesoru bývá dvojstupňová. Část paměti o malé kapacitě je přímo součástí procesoru a je stejně rychlá, jako vlastní procesor (značí se L1). Další paměť, pomalejší, ale s větší kapacitou, je mezi procesorem a operační pamětí, dnes se již umisťuje do pouzdra s procesorem (značí se L2). Protože cena paměti stoupá s její rychlostí (a samozřejmě s kapacitou), je možné tímto uspořádáním najít kompromis mezi cenou a rychlostí.

výběr instrukce z paměti → provedení instrukce → přerušení, …

Výběr instrukcí je řízen registrem:

• čítač instrukcí
• PC (Program Counter)
• IP (Instruction Pointer, alternativní název k PC)

Počítač pracuje ve dvojkovém doplňkovém kódu.

registry: A – střádač – 8bitový (Accumulator)
PC – čítač instrukcí – 16bitový

paměť: adresovatelná jednotka = slabika
data – 8bitová

LDA adresa – Load A Direct

• naplní registr A obsahem slabiky z paměti
• uložení instrukce v paměti:

STA adresa – Store A Direct

• uložení registru A do paměti
• uložení instrukce v paměti:

JMP adresa – Jump Unconditional

• nepodmíněný skok na adresu
• uložení instrukce v paměti:

Interní registry – pro programátora neviditelné

• IR: instrukční registr (8bit), je napojen na dekodér instrukcí
• DR: datový registr (8bit), určen pro čtení/zápis dat v paměti
• AR: adresový registr (16bit), adresa pro četní/zápis v paměti
• TA = (TA_H, TA_L) – Temporary Address Register (16bitový), skládá se z: TA_H (TA High - 8 bitů),

TA_L (TA Low - 8 bitů)

struktura LIFO (Last In, First Out)
registr SP (Stack pointer)
instrukce PUSH, POP

OUT zapíše obsah A na V/V sběrnici
IN přečte obsah V/V sběrnice do A
START zahájí V/V operaci
FLAG adresa skok na adresu, není-li operace hotova

• 16bitový procesor
• 1978–1982
• základní procesor řady INTEL x86
• frekvence max. 10 MHz

• 16bitový procesor do 8bitového prostředí
• 1979–1982

INTR Signál žádosti o maskovatelné přerušení.
TEST Signál testovatelný instrukcí WAIT. Při TEST=L program pokračuje další instrukcí.
NMI Signál nemaskovatelného přerušení.
RESET Signál okamžitě ukončující aktivitu CPU a předávající řízení instrukci na adrese 0FFFF0h.
LOCK Uzamčení sběrnice pro procesor, který nastavil LOCK=L instrukčním prefixem LOCK.
M/IO Rozlišuje, zda adresa patří paměti nebo V/V v procesoru 8086.

Procesory 8086 a 8088 používají k ukládání dat metodu Little-Endian (V tomto případě se na paměťové místo s nejnižší adresou uloží nejméně významný bajt (LSB) a za něj se ukládají ostatní bajty až po nejvíce významný bajt (MSB)).
příklad uložení 32bitového čísla 4A3B2C1D na adresu 100:

Big-Endian, používající se u jiných procesorů – V tomto případě se na paměťové místo s nejnižší adresou uloží nejvíce významný bajt (MSB) a za něj se ukládají ostatní bajty až po nejméně významný bajt (LSB) na konci.
příklad uložení 32bitového čísla 4A3B2C1D na adresu 100:

Adresu zapisujeme ve tvaru segment:offset

takže v podstatě sečteme segment a vpravo posunutý (o jeden řád) offset a dostaneme rozsah adresy.
příklad: Zápis 01A5:0012₁₆ představuje tedy dvacetibitovou adresu 01A62₁₆

Zásobník pak funguje jako segment a jeho položky jsou offset. V jednom segmentu tedy nevytečeme dál jak 64 kB.

V tomto 16bitovém registru se nastavuje chování procesoru a různé stavy při výpočtech. Např. (sedmý bit – ZF (Zero Flag) je nastaven při nulovém výsledku právě dokončené operace. Osmý bit – SF (Sign Flag) je kopií znaménkového bitu výsledku operace.)

SS – stack segment
SP – stack pointer
SS:SP – přesné misto v SS zásobníku

Vnější (gen. technickými prostředky)

• nemaskovatelná (signál NMI)
• maskovatelná (signál INTR)

Vnitřní (gen. programově)

• instrukcí INT n
• chybou při běhu programu

Každé přerušení je identifikováno svou hodnotou.

• 16bitový procesor,
• od 1982, cca do 1990,
• frekvence 6–16 MHz,
• nové počítače PC AT,
• 24bitová adresová sběrnice, tj. 16 MB RAM.

CAP Mezi tento vývod a vývod GND musí být zapojen kondenzátor kapacity 0,047 μF ±20% 12V
vyhlazující nežádoucí napěťové zákmity.
PEREQ Signálem koprocesor žádá procesor o vyslání operandu.
PEACK Signálem procesor oznamuje koprocesoru, že vysílá operand.
BUSY Aktivní úroveň signálu oznamuje, že koprocesor provádí výpočet. Signál je testován instrukcí WAIT.
ERROR Signálem koprocesor oznamuje chybový stav.

Reálný režim

• Je nastaven po inicializaci procesoru.
• Je slučitelný s procesorem 8086.

Chráněný režim

• Zapíná se programově z reálného režimu.
• Adresuje 16MB reálné paměti a 1GB virtuální paměti.
• Poskytuje prostředky 4 úrovňové ochrany.
• Nelze se vrátit z chráněného režimu zpět do reálného.

 F F F F 
 + F F F F 

• příznakový registr se od 8086 mírně liší, především se objevily nové položky v registru (např. IOPL (I/O Privilege Level) určuje úroveň oprávnění, při které může proces ještě provádět V/V instrukce.

• nový příznakový registr MSW (Machine Status Word)

především pro informace o režimu. Využito pouze 4 bity z 16

úrovně oprávnění (privilege levels) – v příznakovém registru na 2 bitech
nejvyšší po nejnižší
0 1 2 3
úroveň 0 . . . jádro operačního systému (řízení procesoru, V/V operací),
úroveň 1 . . . služby poskytované operačním systémem (plánování procesů, organizace V/V, přidělování prostředků),
úroveň 2 . . . systémové programy a podprogramy z knihoven (systém obsluhy souborů, správa knihoven),
úroveň 3 . . . uživatelské aplikace.

Virtuální adresa až 1 GB Ta se skládá z 16bitového Selektoru a 16bitového offsetu.
Selektor obsahuje obsahuje ale adresu na 13 bitech (další 3 nesou info o úrovni oprávnění atd.).
Adresa ze selektoru ukazuje do tabulky (GDT/LDT - obsahuje 2^13 položek).
V této tabulce, která popisuje segmenty v reálné paměti, je na jednom řádku (64 bitů) info o segmentu – 1 B, kde segment začíná tzv. báze segmentu – 3 B , limit segmentu – 2 B a 2 B jsou prázdné.
Z báze segmentu a offsetu se složi 24 bitová reálná adresa. → 16 MB

Registry GDTR a LDTR – kde jsou umístěny tabulky GDT a LDT.

• 32bitový procesor,
• od 1986 do cca 1994,
• 16 MHz až 40 MHz,
• „zakladatel“ architektury IA-32,
• 32bitová adresová sběrnice, tj. max. 4 GB RAM,
• 32bitová datová sběrnice,
• alternativní název i386DX,
• varianta 386SX s 16bitovou datovou a 24bitovou adresovou sběrnici,
• matematický koprocesor zvlášť i387,
• i386SL pro laptop počítače, nižší spotřeba.

• Selektor je stejný jako v 80286.
• Offset je 32bitový.
• Limit segmentu můžeme mít velikost až 4 GB – 1.
• Báze segmentu je 32bitová (tj. 0 až 4 GB – 1).

• Logická adresa (v terminologii 80286 se nazývá virtuální adresa) je složena z 16bitového selektoru

a 32bitového offsetu (tj. adresuje 64 TB virtuální paměti). Tato adresa je algoritmem segmentační
jednotky převedena na lineární adresu.

• Lineární adresa je 32bitová (tj. adresuje 4 GB). Není-li v činnosti stránkovací jednotka, potom

lineární adresa ukazuje už přímo do fyzické paměti.

• Fyzická adresa je transformována činností stránkovací jednotky z lineární adresy. Je rovněž 32bitová

(tj. adresuje 4 GB fyzické paměti). Není-li stránkovací jednotka zapnuta, je fyzická adresa totožná
s lineární adresou.

logická adresa → lineární adresa → fyzická adresa

Rámec a stránka o velikosti 4 kB.
Pro využití se musí zapnout stránkování v procesoru.

Oproti 386 je rozšířen o:

• jednotku operací v pohyblivé čárce (Floating point registr)
• interní vyrovnávací paměť (Internal Cache - pro data i instrukce 8KB)
• novou technologií blízkou RISC

opět doplněno o nové informace-položky v registrech (řídící, příznakový specifikátor stránkového adresáře…)

• Pentium z řecky penta, tj. 5,
• 32bitový procesor,
• od 1993 do 1999,
• 60 MHz až 300 MHz,
• od 1995: Pentium MMX, Pro, II, III, 4, D, Xeon,
• postupně se liší parametry: technologie např. 0,25 μm, velikostí cache, počtem jader…

V procesoru Pentium jsou integrovány všechny vlastnosti procesoru Intel486. Navíc poskytuje tato
významná rozšíření:

• superskalární architekturu,
• dynamické předvídání skoků,
• zřetězenou FPU,
• zkrácení doby provádění instrukcí,
• oddělené 8KB datové a instrukční vnitřní vyrovnávací paměti,
• protokol MESI pro řízení datové vyrovnávací paměti,
• 64bitovou datovou sběrnici,
• zřetězování cyklů sběrnice,

Předvídáni podmíněných skoků – (Branch Target Buffer)
Párování instrukcí Režim správy systému (SMM) – podobný reálnému režimu. Nejsou v něm úrovně oprávnění. Lze zde provádět V/V operace a adresovat celou 4GB kapacitu fyzické paměti.

x86-64 architektura

• 64bitový režim (long mode) – plně 64bitový režim
• kompatibilní režim – 32/16bitový režim, omezená kompatibilita s x86 (pouze chráněný

režim, žádný reálný, žádný V86 režim)

• x86 mode plná kompatibilita s x86 32/16bitovým režimem (vč. reálného režimu…)

Vnější paměť představuje v architektuře počítače paměť určenou k trvalému ukládání informací (programů a dat), její obsah se vypnutím počítače neztrácí. K vnější paměti nemá procesor počítače zpravidla přímý přístup. Srovnej s vnitřní pamětí. Vnější paměť můžeme rozdělit na stálou a výměnou paměť. Operační systém k přístupu do vnější paměti používá ovladače zařízení a data jsou organizována do souborů podle pravidel použitého souborového systému. Výměnná paměť obvykle používá pro uložení dat výměnná datová média.

Mezi stálou vnější paměť počítače patří:

Data jsou na povrchu pevného disku organizována do soustředných kružnic zvaných stopy, každá stopa obsahuje pevný anebo proměnný počet sektorů. Z důvodu efektivnějšího využití plochy disku je povrch většinou rozdělen do několika zón, každá zóna má různý počet sektorů na stopu. Sektor je nejmenší adresovatelnou jednotkou disku, má pevnou délku (donedávna 512 byte na sektor, nyní by se již po domluvě výrobců měly vyrábět disky s 4 KB na sektor). Pokud disk obsahuje více povrchů, všechny stopy, které jsou přístupné bez pohybu čtecí hlavičky, se nazývají cylinder (válec). Uspořádání stop, povrchů a sektorů se nazývá geometrie disku.

Adresa fyzického sektoru na disku se skládá z čísla stopy (cylindru), čísla povrchu a čísla sektoru.

Pro přístup k datům disku se používá starší metoda adresace disku CHS, která disk adresuje podle jeho geometrie (odtud název CHS - cylinder, head, sector). Hlavní nevýhodou je u osobních počítačů IBM PC omezená kapacita takto adresovaného disku (8 GB) a nutnost znát geometrii disku. U disků vyšších kapacit na rozhraní ATA, již neodpovídá zdánlivá geometrie disku skutečné fyzické implementaci (viz CHS).

Novější metoda pro adresaci disku je (u rozhraní ATA) LBA, sektory se číslují lineárně. Není třeba znát geometrii disku, max. kapacita disku je až 144 PB (144 miliónů GB). Rozhraní SCSI používá lineární číslování sektorů disku již od své první verze. Ostatní novější rozhraní již převážně metodu jako je LBA používají.

Výměnná vnější paměť počítače patří:

• disketová jednotka
• CD jednotka
• DVD jednotka
• USB flash paměť
• Zip disk

Jako vnitřní paměť se u počítače označuje paměť, ke které má zpravidla procesor přímý přístup. Vnitřní paměť je zpravidla volatilní (nestálá) a po vypnutí počítače se její obsah ztrácí. Vnitřní pamětí se v architektuře počítače označuje paměť určená pro uložení strojového kódu běžících procesů a pro data těmito procesy právě zpracovávaná. Srovnej s vnější pamětí.

O správu obsahu vnitřní paměti, alokace paměti pro jednotlivé procesy se zpravidla stará operační systém, pro přístup do ostatních pamětí (video paměť, konfigurační registry apod.) jsou zpravidla použity ovladače zařízení.

Jako vnitřní paměť se zpravidla označuje:

• operační paměť
• cache paměť procesoru
• registry procesoru
• různé registry chipsetu (konfigurace počítače, řízení hardware, apod.)
• video paměť

Ukládání(rep. přístup) dat do vnitřní a vnější paměti se liší.
Do vnitřní paměti se přistupuje, jak již je zmíněno výše, buť přímo (registry, cache) anebo pomocí segmentace resp. stránkování (RAM).

Práce s vnější pamětí je ale jiná (musíme řešit implementační problém přístupu na disk – co nejrychleji číst data popřeházená na disku).

Více o přístupu k vnějšímu disku je v otázce Organizace souborů

Rozhraní:

Rozhraní Centronics (EPSON)
Paralelní rozhraní určené pro výstup informace

1. Mechanická úroveň: Konektor Cannon 25kolíkový, na počítači je zásuvka.

1. Elektronická úroveň:
   • „0“ … 0V až 0.4 V – úroveň TTL
   • „1“ … 2.4V až 5V – úroveň TTL
2. Logická úroveň

V.24 je rozhraní přizpůsobené pro telefonní linky:

1. Mechanická úroveň: Konektor Cannon 25 nebo 9kolíkový, na počítači je zástrčka.
2. Elektronická úroveň:
   • „1“ … -15 V ÷ -3 V
   • „0“ … 3 V ÷ 15 V
3. Logická úroveň

• název převzatý z dálnopisné sítě
• až do 2 km
• proud 20, 40 mA
• chybí přesná definice

Nulmodem je metoda propojení dvou počítačů pomocí RS-232 tak, že vodiče pro přenos a pro příjem jsou v obou směrech prohozené. Jedná se o klasické propojení počítačů pomocí „seriového kabelu“.

Idea:

• Všechna typická zařízení se stejně připojují na společnou sběrnici
• Náhrada připojení klávesnice, myši, RS232 zařízení, Centronics
• Snadnost použití
• Možnost připojování/odpojování bez vypnutí

USB 1.x (1996) v.1.0 1994-1996: Compaq, Intel, Microsoft a NEC, v.1.1 1998
Rychlost 1,5 Mb/s nebo 12 Mb/s
USB 2.0 (1999) Rychlost 480 Mb/s (teoretická rychlost)
USB 3.0 (2008) Přenosová rychlost je 5 Gbit/s. Nová technologie má 8 vodičů namísto původních 4, přesto zpětně podporuje USB 2.0.
Master/Slave protokol Komunikace je řízena/vyvolávaná počítačem (host), max. 127 zařízení.
Ochrana proti zkratu a přepětí Dovoluje se připojení/odpojení zařízení bez vypnutí počítače. Nutnost
ochrany proti elstat. výboji - člověk až 15 kV na koberci.

Zapojení Čtyřdrátová sběrnice:
+5V
data -
data +
zem

Příklady V/V zařízení: myš, klávesnice,tablet, tiskárna, monitor, touchpad… prostě vše okolo samotného PC.

• Měli byste znát rozdíl mezi Harvardskou architekturou a RISC architekturou.
• Měli byste umět vysvělit descriptory a úrovně v procesoru.
• Měli byste být schopni uvést nějaké instrukce v architektuře Intel.

• FI:PB151 Výpočetní systémy, doc. Ing. Michal Brandejs, CSc.

Přednášky pro Výpočetní systémy - verze pro tisk, autorem je doc. Ing. Michal Brandejs, CSc.

Petr Kott
petr.kott@post.cz

Otázku si přečetl pan RNDr. Vlastislav Dohnal a rámcově prošel. Jeho podněty pro doplnění textu, opravy nesrovnalostí a odstranění matoucích či k otázce se nevztahujících textů byly do otázky zaneseny. Tato kontrola je jen rámcová, stále se může stát, že v otázce zůstala zapomenutá chybka či nesrovnalost, vyučující za toto nenese odpovědnost, berte tuto rámcovou kontrolu jako formu pomoci od vyučujících pro studenty.