kompiuterių architektūra ir operacin ė s sistemos

Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos

Doc. Stasys Maciulevičius

Kompiuterių katedra

[email protected]

mailto:[email protected]

2009-2010 S.Maciulevičius 2

Septintosios paskaitos santrauka

• Virtualioji atmintis

• Adresų transliacija ir jos spartinimas

• Magnetiniai diskai

• Kompaktiniai diskai ir DVD

• Flash atmintis


Aštuntosios paskaitos turinys

MAGISTRALĖS – Duomenų perdavimo operacijos– Magistralės– Magistralės arbitražas– Magnetinių diskų sąsajos

PERTRAUKTYS – Pertraukčių esmė, jų apdorojimas– Pertraukčių kontroleris


MAGISTRALĖS ir SĄSAJOS



Duomenų perdavimo operacijos

• Multipleksuota įrašymo:

• Multipleksuota skaitymo:Kreipties

laikas DuomenysAdresas

Laikas

Adresas (1 ciklas)

Duomenys (2 ciklas)



• Nemultipleksuota įrašymo:

• Nemultipleksuota skaitymo:

Adresas ir duomenys perduodami skirtingomis

magistralėmisDuomenys

Adresas

Duomenys

Adresas



• Skaitymas-modifikacija-įrašymas:

• Duomenų bloko perdavimas:

Duom.1Adresas

Laikas

Adresas (1 ciklas)

Perskait. duomenys

Įrašomi duomenys

Duom.2 Duom.3 Duom.4


Magistralės kompiuteryje

• Procesoriaus magistralė. Ją naudoja valdymo schemų rinkinys (chipset) informacijos mainams su procesoriumi. Kai kurie šaltiniai ją vadina sistemos magistrale (FSB - Front Side Bus)

• Sparčioji grafikos magistralė. Taip vadinama didelės spartos magistralė, jungianti grafikos posistemį su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi (anksčiau - AGP – Accelerated Graphics Port, dabar – PCI Express)

• Atminties magistralė. Taip vadinama magistralė, jungianti atminties posistemį su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Kai kuriose sistemose tai ta pati procesoriaus magistralė


Magistralės kompiuteryje

• Lokalinė I/O magistralė. Taip vadinama didelės spartos įvesties ir išvesties magistralė, jungianti sparčius I/O įtaisus su atminties posistemiu, su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Dabar populiariausia – PCI

• Standartinė I/O magistralė. Tai nedidelės spartos įvesties ir išvesties magistralė, jungianti tokius I/O įtaisus, kaip pelė, klaviatūra. Gera seniems įtaisams prijungti. Populiariausia – USB


Sistema su Pentium 4

Procesoriaus

Atminties

Lokal.I/O

Grafikos

Stand.I/O


PCI magistralė

PCI (Peripheral Component Interconnect)• turi specialius mikroschemų rinkinius valdymui

(chipsets)• sistemose būna 3-4 PCI lizdai• turi daug tinkamų išplėtimo kortų• dalis Intel sukurtojo “Plug and Play” standarto

Pirminis jos variantas (PCI 1.0) – 32 bitų magistralė, dirbanti 33 MHz dažniu; pralaidumas – 133 MB/s

Sparčiausias jos variantas (PCI 2.1) – 64 bitų magistralė, dirbanti 66 MHz dažniu; pralaidumas – 533 MB/s


AGP magistralė

Intel firma PCI 2.1 magistralės pagrindu sukūrė naują grafikos adapterių prijungimo standartą - AGP (Accelerated Graphics Port).

Dvigubas perdavimo dažnis užtikrina maksimalią 528 MB/s (AGP 2x - 66 x 4 x 2) duomenų perdavimo spartą.

Be pagrindinio (“klasikinio”) režimo dar turime:– AGP 4x (versija 2.0) – 1,05 GB/s – AGP 8x (versija 3.0) – 2,1 GB/s.

Pastarasis sudaro galimybę prijungti daugiau nei 1 AGP grafikos įtaisą

Nuo 2004 metų ją pakeitė PCI Express


AGP magistralė

PCI perdavus adresą po kurio laiko pasirodo duomenys.

AGP magistralėje pradžioje perduodamas adresų paketas, po kurio laiko pasirodo duomenų paketas. Pagal AGP specifikaciją paketo ilgis gali būti iki 256 užklausų.


PCI Express magistralė

• PCI architektūros kompiuteriai iki šiol tenkino daugumos vartotojų poreikius, tačiau dabar PCI jau pradeda stabdyti asmeninių kompiuterių plėtrą. Todėl Intel pradėjo gaminti įtaisus, skirtus PCI Express architektūros kompiuteriams

• PCI Express magistralė standartu pripažinta 2002 m. rugpjūtį. Nuo tada dauguma VSR (chipsets), procesorių, grafikos plokščių gamintojų rengia naujajam standartui pritaikytus įtaisus



• PCI Express įtaisams jungti naudoja dvikrypčią nuoseklią jungtį “taškas-taškas” (point-to-point), kurį vadina lane

• PCI Express du įtaisus sujungia kanalu, kurį sudaro viena dvikryptė jungtis (vadinama 1x) arba kelios (2x, 4x, 8x, 12x, 16x ir 32x) dvikryptės jungtys



• Nuo PCI ji skiriasi didesne informacijos perdavimo sparta (iki 8 GB/s viena kryptimi), mažesne maitinimo įtampa (0,8 V) ir tuo, kad yra nuosekli, vienu kanalu (X1) kiekviena kryptimi galinti perduoti duomenis 250 MB/s sparta

PCI Express variantas

1x 2x 4x 8x 12x 16x 32x

Pralaidumas, GB/s 0,5 1 2 4 6 8 16



• Manoma, kad PCI Express magistralė karaliaus artimiausius 10 metų.

• Magistralės kanalas turi dvi laidininkų poras duomenims abiem kryptimis perduoti. Išorinių įtaisų gamintojams susitarus, visų įtaisų jungtys gali būti tokios pat (pvz., kaip ir USB įtaisų).

• Įtaisus prie PC Express galima prijungti neišjungus kompiuterio.


USB magistralė

USB – nuosekli magistralė, pasižyminti vidutine perdavimo sparta. Ji skirta įvairiems periferiniams įtaisams (klaviatūrai, spausdintuvams, skeneriams, garso sistemoms, ...) prijungti.

Pirmoji jos specifikacija paskelbta 1996m.

Sisteminėje plokštėje gali būti 2 USB jungtys. Kompiuterio korpuse dažniausiai jas rasime užpakalinėje sienelėje, tačiau dabar jos būna ir kompiuterio priekyje


USB magistralė

Informaciniai signalai ir maitinimas perduodami 4 linijų kabeliu:

– dvi linijos skirtos signalams perduoti nuosekliu kodu; signalų lygiai - <0,3V (0) arba >2,8V (1).

– dvi linijos skirtos maitinimui; leistina srovė – 0,5A; ji gali būti pakankama paprastiems įtaisams maitinti.

USB 1.1 sparta (12 Mbit/s) pakankama tokiems PC periferiniams įtaisams, kaip telefonai, skaitmeninės kameros, klaviatūros, pelė, skaitmeninės vairalazdės (joysticks) skeneriai, spausdintuvai, prijungti


USB magistralė

USB 2.0 (jos sparta 480 Mbit/s) leidžia prijungti žymiai sudėtingesnius ir didesnio duomenų srauto reikalaujančius įtaisus – didelės skiriamosios gebos video konferencijų kameras, naujos kartos skenerius, spausdintuvus ir sparčius išorinės atminties įtaisus

USB 3.0 specifikacija paskelbta 2008 metais. Pagal ją sparta padidinta dar 10 kartų – iki 5 Gbit/s. Tai pusantro karto viršija diskams prijungti naudojamos SATA-300 spartą. Srovė padidinta iki 0,9 A, įvestas energijos taupymo režimas


Magistralių parametrai

Magistralėms apibūdinti naudojami tokie parametrai:

• Magistralės plotis – duomenų linijų skaičius. Pirmosios magistralės buvo 8 bitų, dabar jų plotis pasiekė 64 bitus, o kai kurių – 128 ir daugiau bitų (vidinės).

• Magistralės dažnis – maksimali duomenų perdavimo sparta.

• Magistralės pralaidumas – maksimalus teorinis duomenų kiekis, perduodamas per laiko vienetą (sekundę).



Magistralė Plotis Dažnis (MHz)

Pralaidumas (MB/s)

8 bitų ISA 8 8.33 4.2

16 bitų ISA 16 8.33 8.4

EISA 32 8.33 33

VLB 32 33 133

PCI 32 33 133

64 bitų PCI 64 66 533

Tiesa, M santrumpose MHz ir MB reiškia skirtingus dydžius. Todėl faktiškai vietoj 133 turėtų būti 127 ir pan.



Magistralė Plotis Dažnis (MHz)

Pralaidumas (MB/s)

64 bitų PCI 64 66 533

AGP 32 66 266

AGP (2 mode) 32 66 2 533

AGP (4 mode) 32 66 4 1066

AGP (8 mode) 32 66 8 2132

PCI Express (1) 1 2.5 GHz 500

PCI Express (16) 16 2.5 GHz 8000

PCI Express (32) 32 2.5 GHz 16000


Įtaisai magistralėje

SkS2S1

I1 ImI1


Nuoseklus magistralės arbitražas

Magistralės arbitras

0

IN#

Užkl. Leid.

OUT#

BUSY#

Leidimas naudotis mag.

Magistralės arbitras

1

IN# OUT#

Užkl. Leid.


Lygiagretus magistralės arbitražas

REQUEST3

REQUEST2

REQUEST1

REQUEST0

Magis- tralės arbitra

s

Naud. magistrale vald.



Užkl. Leid. Užkl. Leid. Užkl. Leid.

GRANT3

GRANT2

GRANT1

GRANT0

13 2


Magnetinių diskų sąsajos

Sąsaja Savybės

IDE Paprasta, primityvi sąsaja. Duomenys perduodami per ISA magistralę, todėl lėtai. Talpa nedidelė, naujuose PC nenaudojama

EIDE Pagerinta IDE. Duomenys perduodami per PCI magistralę, todėl sparčiai. Talpa didelė, nebrangūs ir efektyvūs. Ultra DMA – geriausias iš EIDE variantų

SCSI Našiausia, diskai jungiami per brangų kontrolerį. Paprastai MD yra aukščiausios kokybės, spartūs. SCSI kontroleris gasli valdyti iki 7 MD, kurių talpa 45GB.


IDE sąsaja

IDE (Integrated Drive Electronics) – vienas iš anksčiausiai

(1986) priimtų svarbių PC aparatūros standartų,

apibrėžiančių duomenų perdavimą tarp procesoriaus ir

standžiojo disko. IDE reiškia, kad kontrolerio funkcijos

realizuojamos standžiojo disko įtaise, todėl diskas

jungiamas tiesiai prie sistemos magistralės.

IDE žinomas ir kitu vardu – ATA (AT Attachment).

Pagal IDE specifikaciją galima prijungti ne daugiau kaip

du diskus, kurių kiekvieno talpa siekia 528MB (1986

atrodė, kad to pakaks).


EIDE sąsaja

EIDE (Enhanced IDE) standartas buvo priimtas 1993 metais, siekiant peržengti IDE ribojimus.

Kiekviename iš 2 kanalų gali dirbti du diskai - vedantysis (master) ir vedamasis (slave).

EIDE žymiai išplėtė ir disko talpos ribą – iki 8,4 GB, o vėliau – iki 137 GB.

Diskuose imta naudoti diskų kešus, kurie priima ar perduoda duomenis blokais (paprastai 4 KB).

Kad būtų galima prijungti ne tik diskus (ir CD-ROM), įvesta ATAPI (AT Attachment Packet Interface) specifikacija, kurioje yra specialios komandos, reikalingos CD-ROM. ATAPI naudoja ir CRC.


Serial ATA sąsaja

Tai – nuoseklioji sąsaja.

SATA (Serial ATA ) sparta – 150 MB/s ir daugiau. Jos privalumas – ne tik didesnė sparta, bet ir ploni kabeliai (lygiagrečiųjų sąsajų kabeliuose 40 ir net 80 laidininkų!!!).

Šių kabelių ilgis gali siekti 1 m, tuo tarpu kai lygiagrečiųjų – iki 40 cm.

SATA II sparta – 300 MB/s


SATA ir eSATA

Netrukus buvo paskelbta spartesnės SATA specifikacija - SATA 3.0 Gb/s, o 2008 metais SATA 6.0 Gb/s specifikacijos juodraštis; standartas išleistas 2009 metais

Plintant išoriniams atminties įtaisams, 2004 m. paskelbtas eSATA standartas, numatęs kiek kitokius nei SATA įtampų lygius, didesnį kabelių ilgį (iki 2 m.)


SCSI sąsaja

Per SCSI galima prijungti iki 8 įrenginių. Vienas iš šių įrenginių – adapterio plokštė, įstatyta kompiuteryje; 7 likusieji – periferiniai įrenginiai. Prie vieno adapterio galima prijungti standžiųjų diskų kaupiklius, CD-ROM kaupiklius, skenerius ir kitus įrenginius (iš viso ne daugiau kaip 7). Maksimali sparta – 320 MB/s


PERTRAUKTYS



Pertrauktys

Pertraukiančios (pertrauktį apdorojančios) programos

Pertraukties signalai

Pagrindinėprogra

ma

Kompiuteris

Aplinka


Pertrauktys

Priežastys:• išorinės• vidinėsProcedūra:• pertraukties signalo priėmimas• pertraukties atpažinimas• būsenos įsiminimas• pertrauktį apdorojančios programos

vykdymas• būsenos atstatymas


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):

o kai negalima užbaigti (puslapio klaida)o ilgai trunkančioms komandoms


Ar dažnai būna pertrauktys?

VAX 8800 kompiuterio, kuriame buvo naudojamas laiko skirstymo režimas, darbo analizė parodė:

Pertraukties priežastis Intervalas

Įvesties ir išvesties sistema 2,7 ms

Sistemos laikrodis 10,0 ms

Programinės pertrauktys 1,5 ms

Aparatinės pertrauktys 2,1 ms

Įvertinus viską 0,9 ms


Pertrauktys

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

Pagr.progr.

Pertr. sign.

Pertr. apdor.Reakcijos

Perjungimolaikas laikas


Pertraukčių lygiai ir aptarnavimas

321

321

3

22

11

Užklausos

Vieno lygiosistema

Daugelio lygių sistema


Pertraukties apdorojimas

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

vykdymas• būsenos atstatymas


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 aptarnavimo valdymas

Procesorius gali nurodyti, kaip pertraukčių kontroleris aptranaus pertrauktis:

• Fiksuoti prioritetai – pertraukčių užklausos aptarnaujamos pagal įėjimų eilės tvarką (nuo IR0 iki IR7; aukščiausias – IR0); šis režimas nustatomas automatiškai

• Cikliniai prioritetai – aptarnautas įtaisas gauna žemiausią prioritetą toje grupėje

• Speciali kaukė – kai kurių įtaisų pertraukčių užklausos gali būti ignoruojamos.


Pertraukčių kontroleris

IOWCIORCINTA

Pertraukčių įėjimai

Duomenų magistr.

Adreso selektoriu

s

Adreso magistr.

Į P

Kaskadiniam jungimui

CS A0 INT D7-D0

WR

RD 8259A CASINTA

IR0 IR7


Pertraukčių kontrolerio naudojimas

IR0IR1 INTIR2…IR7 CAS

Išor. įtaisas 02

Išor. įtaisas 03

Išor. įtaisas 09

Išor. įtaisas 10

Išor. įtaisas 11

Išor. įtaisas15

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:

Šiuolaikiniuose kompiuteriuose pertraukčių kontroleris įeina į valdymo schemų rinkinį (chipset)


Pertraukčių vektoriai

Procesorius gali nurodyti, kaip pertraukčių kontroleris aptranaus pertrauktis:

• Fiksuoti prioritetai – pertraukčių užklausos aptarnaujamos pagal įėjimų eilės tvarką (nuo IR0 iki IR7; aukščiausias – IR0); šis režimas nustatomas automatiškai

• Cikliniai prioritetai – aptarnautas įtaisas gauna žemiausią prioritetą toje grupėje

• Speciali kaukė – kai kurių įtaisų pertraukčių užklausos gali būti ignoruojamos.


x86 pertrauktys ir išskirtinės situacijos

Vekt. Nr. Aprašymas Adresas

0 Dalybos klaida 0000000h

1 Derinimo išskirtinė situacija 0000008h

2 NMI (nemaskuojama) pertr. 0000010h

3 Stabdymo traškas (INT3) 0000018h

4 Perpildymas 0000020h

5 Pažeista segmento riba 0000028h

6 Blogas operacijos kodas 0000030h

... ...

10 Neleistinas užduoties segmentas 0000050h

... ...

14 Puslapio klaida 0000070h

... ...


Pertrauktys ir išskirtinės situacijos

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

Pertraukties vektorius – pertraukčių apdorojimo programos adresas arba 8 baitų 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


Kitą kartą:

• Valdymo schemų rinkiniai

• Įvesties ir išvesties problemos

• Programa valdomi duomenų mainai

• Tiesioginiai duomenų mainai

• Nešiojami kompiuteriai

• Nešiojamų kompiuterių maitinimas

• Nešiojamų kompiuterių platformos

kompiuterių architektūra ir operacin ė s sistemos

Documents