Тема 2 Архитектура компьютера

Основные характеристики хоста
Процессор (CPU): машинный язык как систему команд
процессора, архитектура (CISC, RISC), программноадресуемые регистры (разрядность) Al, Ah, Ax, EAx
разрядность (8-16-32-64 бит), Частота от 1 Mhz до 3 Ghz,
объем Кэш памяти, количество ядер
 Системная шина фиксирует порядок взаимодействия
всех компонентов архитектуры, пропускная
способность до 16 GT/s(Гигатранзакций/с в PCIe 4.0
или более.)
 Память (RAM): схема организации (реальная/
виртуальная, линейная/страничная/сегментная); объем
адресуемого АП ( 1 Mb, 4 Gb, 16 Tb)
 Внешняя память: Объем в Gb-Tb, интерфейс (IDE/ATA,
SATA, SCSI), IOPS
1

Модель процессора
Регистры – быстродействующие
запоминающие устройства
используются для временного хранения
данных, располагаются в центральном
процессоре и доступные из машинных
программ.
Размер регистров определяет
разрядность процессора.
Доступ к регистрам выполняется
значительно быстрее, чем к RAM,
поэтому использование регистров
заметно сокращает время выполнения
программ.
•регистры общего назначения (I8080);
AX accumulator, аккумулятор;
BX base, база;
CX counter, счетчик;
В регистре IP всегда находится
DX data, данные
адрес команды, которая должна
SI source index, индекс источника;
быть выполнена следующей.
DI destination index, индекс приемника;
BP base pointer, указатель базы;
Program Status Word (PSW) или
SP stack pointer, указатель стека;
Регистр признаков (флагов) – это
add DI,SP
регистр процессора, который хранит
sub BP,CX
флаги условий и состояний
2
Регистр флагов 8086, Pentium

FLAGS — это регистр состояния . Из его 16 разрядов используются только
девять: CF (Carry Flag) — флаг переноса при арифметических операциях, PF
(Parity Flag) — флаг четности результата, AF (Auxiliary Flag) — флаг
дополнительного переноса, ZF (Zero Flag) — флаг нулевого результата, SF
(Sign Flag) — флаг знака (совпадает со старшим битом результата), TF (Trap
Flag) — флаг пошагового режима (используется при отладке), IF (Interruptenable Flag) — флаг разрешения аппаратных прерываний, DF (Direction
Flag) — флаг направления при строковых операциях, OF (Overflow Flag) —
флаг переполнения

86

386
3
CISC-RISC

CISC (Complex Instruction Set Computing):
◦ Большое число различных по формату и длине
команд (от 1 до 6 байт);
◦ Большое число различных систем адресации;
◦ Сложная кодировка инструкции.

RISC (Reduced Instruction Set Computing).
◦
Система команд имеет упрощенный вид.
◦ Все команды одинакового формата с простой
кодировкой и выполняются за один такт.
◦ Обращение к памяти происходит путем команд
загрузки и записи, остальные команды типа регистррегистр. Регистров больше чем в CISC.
4
◦ Команда CPU не требует дешифрации .
Системная шина
5
Чтение данных памяти
процессор устанавливает на шине
адреса адрес ячейки памяти, которую
хочет прочитать
на шине управления процессор
выставляет сигнал чтения и сигнал
готовности
заметив сигнал готовности, все
устройства проверяют, не стоит ли на
шине адреса их адрес
память «замечает», что выставлен ее
адрес
память читает адрес
память выставляет на шине данных
требуемую информацию
память выставляет на шине
управления сигнал готовности
процессор читает данные с шины
данных
6
Процесс завершен
Принципы вычислений Фон-Неймана
Принцип программного управления. Программа
состоит из набора команд, которые выполняются
процессором автоматически друг за другом в
определенной последовательности.
 Принцип однородности памяти. Программы и данные
хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер
не различает, что хранится в данной ячейке памяти —
число, текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными.
 Принцип адресности. Структурно основная память
состоит из перенумерованных ячеек; процессору в
произвольный момент времени доступна любая

ячейка.
7
Модель вычислений
PC – счетчик программы
AC- аккумулятор
IR – регистр команды
Задача:
Сложить два числа, размещенные
по адресу 940 и 941 и поместить
результат по адресу 941
8
Выполнение команд
9
Память хоста
Память разделяется на два вида: оперативную
и внешнюю построена из двоичных
запоминающих элементов — битов,
объединенных в группы по 8 битов, которые
называются байтами.
 Оперативная память содержит: ПЗУ и ОЗУ

◦ ПЗУ ( ROM - Read-Only Memory) - место хранения
постоянной информации. ПЗУ размещает данные об
аппаратных особенностях хоста и базовой системы
ввода/вывода операционной системы - BIOS
◦ ОЗУ (RAM - Random Access Memory -) – размещает
выполняемые в данный момент программы (Bit, byte,
Kb, Mb, Gb,Tb,Pb, Eb,Zb,Yb
10
Страничная организации памяти

Страничная организация памяти реализует концепцию
несвязного распределения памяти ЭВМ и означает:
◦ Разделение ОП хоста на блоки фиксированной длины
размером степени 2, обычно 4096 байт(frame).
◦ Разделение адресного пространства программы
загрузчиком на блоки фиксированного размера,
равного длине блока, называемых страницами (page);
◦ Динамически поблочно выдается память программам в
любом месте памяти;
◦ Аппаратная поддержка соответствия номеров блоков
ОП хоста и страниц процесса по соответствующей
таблице отображения страниц (ТОС).
11
Логический адрес

Адрес, генерируемый процессором состоит
из:
◦ Page number (p) – используется как индекс в
таблицу страниц, которая содержит базовый адрес
каждой страницы в физической памяти.
Page offset (d) – совместно с базовым адресом
определяют адрес физической памяти, который
посылается контроллер памяти
Page Number
Offset
Преобразование адресов
Page Table Entry
P M Other Control Bits
Frame Number
•Каждый процесс имеет свою таблицу страниц (page table)
•Каждая строка таблицы содержит номер блока, соответствующий
странице в памяти
•P-бит требуется для индикации присутствия страницы в памяти
•M-бит требуется для индикации модификации содержания страницы
Концепция виртуальной памяти (1)



Виртуальным называется ресурс, который пользователю
или пользовательской программе представляется
обладающим свойствами, которыми он в
действительности не обладает.
Пользователю может быть предоставлена виртуальная
оперативная память, размер которой превосходит всю
имеющуюся в системе реальную оперативную память.
Пользователь пишет программы так, как будто в его
распоряжении имеется однородная оперативная память
большого объема, но в действительности все данные,
используемые программой, хранятся обычно на дисках, и
при необходимости частями отображаются в реальную
память со страничной организацией
Концепция виртуальной памяти (2)
Виртуальной памятью называется основная память
процесса, адресное пространство которого
соответствует диапазону непосредственной адресации
системы команд хоста и которая обычно не совпадает с
объемом реальной памяти ЭВМ
 Начиная с Intel 386 (32 разрядные МП) – для каждого
процесса выделяется адресное пространство размером
4 Gb.
 Для Intel Itanium, Xeon, AMD Opteron (64 разрядные
МП)- для процесса выделяется адресное пространство
размером 16 Тb)
 Одновременно работает N процессов, каждому из
которых выделяется виртуальная память, равная
адресуемому МП-ом пространству ОП (4 Gb/16 Tb).

Концепция виртуальной памяти (3)

Virtual memory – отделение пользовательской
логической памяти от физической.
◦ Только часть программы, которая требуется для
выполнения находится в памяти (85/15).
◦ При этом логическое адресное пространство может
быть значительно больше чем физическое адресное
пространство (нет необходимости держать всю
программу в ОП).
◦ Доступное адресное пространство должно
разделяться несколькими процессами.
◦ Механизм отображения виртуальных в реальные
адреса устанавливает между ними соответствие и
называется динамическим преобразованием адресов
(ДПА).
◦ Происходит более эффективное создание
процессов.
Концепция виртуальной памяти (4)
◦ Только части программы, которые необходимы в
текущий момент, размещаются в памяти, другие
части размещаются во вторичной памяти
◦ Процессы загружается (swapped in) и выгружается
(swapped out ) из оперативной памяти на диск (в
файл подкачки). В случае расположения данных
виртуальной памяти на внешних запоминающих
устройствах (например, жестких дисках), как чаще
всего и происходит — доступ к памяти замедляется
(по сравнению с оперативными запоминающими
устройствами).
Концепция виртуальной памяти (5)
Cache память (1)



Кэш-память - это способ организации совместного
функционирования двух типов запоминающих устройств,
отличающихся временем доступа и стоимостью хранения
данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к
данным за счет динамического копирования в "быстрое" ЗУ
наиболее часто используемой информации из "медленного" ЗУ.
Уменьшеие времени доступа происходит из-за того, что
большинство данных, требуемых процессором, оказываются
в кэше, и количество обращений к оперативной памяти
снижается.
Механизм кэширования является прозрачным для пользователя,
который не должен сообщать никакой информации об
интенсивности использования данных и не должен никак
участвовать в перемещении данных из ЗУ одного типа в ЗУ
другого типа, все это делается автоматически системными
средствами.
Cache память (2)
Прозрачна для операционной системы
 Используется аналогично виртуальной памяти
 Содержит фрагмент основной памяти
 Увеличивает скорость работы памяти
 Работает на частоте процессора, значит обращение может быть
каждый такт
 Скорость процессора быстрее чем скорость памяти
 Процессор сначала проверяет cache - поиск нужных данных
осуществляется по содержимому - значению поля "адрес в
оперативной памяти", взятому из запроса
 Если ссылка не обнаружена в cache, то блок памяти,
содержащий данные перемещается в cache
 Если вытесняемые данные были модифицированы за время
нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в
оперативную память. Если же эти данные не были
модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется
свободным.

Структура Cache/Main-Memory
Memory
Address
0
1
2
3
Block
(k words)
Slot
Number Tag
0
1
2
Block
C -1
Block Length
(k words)
(b) Cache
Block
2n - 1
Word
Length
(a) Main Memory
Cache устроена на основе ассоциативной
памяти в отличие от RAM (Фон-Нейман)
таким образом, что поиск осуществляется
ко всей памяти по содержанию и реализуется
запрос во всей памяти одной операцией, что
существенно сокращает время, но и стоимость.
Модель Cache (1)

Размер сache
◦ Небольшой по сравнению с ОП cache имеет
существенное влияние на производительность256-512-1024-2048 Кб

Размер блока
◦ Единица обмена данных между cache и ОП
◦ Попадание означает, что информация найдена в
cache
◦ Чем больше размер блока, тем больше попаданий,
до тех пор пока вероятность использования
недавно доставленных данных становится меньше,
чем вероятность повторно используемых данных,
Модель Cache (2)

Функция отображения
◦ Определяет какой поступающий блок будет
занят в cache, в случае отсутствия свободных
использует алгоритм замещения
◦ Алгоритм Least-Recently-Used (LRU) –
наиболее давнее использование.
(предполагается что каждый блок содержит
кроме P и M временные метки.
Локальность данных
В реальных системах вероятность попадания в кэш
составляет примерно 0,9. Высокое значение
вероятности нахождения данных в кэш-памяти связано
с наличием у данных объективных свойств:
пространственной и временной локальности
 Пространственная локальность. Если произошло
обращение по некоторому адресу, то с высокой
степенью вероятности в ближайшее время произойдет
обращение к соседним адресам.
 Временная локальность. Если произошло обращение
по некоторому адресу, то следующее обращение по
этому же адресу с большой вероятностью произойдет в
ближайшее время.

Универсальный принцип кэширования (1)
Предыдущие рассуждения справедливы и для
всех пар запоминающих устройств, например,
для оперативной памяти и внешней памяти.
 В этом случае уменьшается среднее время
доступа к данным, расположенным на диске, и
роль кэш-памяти выполняет буфер,
расположенный в оперативной памяти.
(экономия состоит в сокращении дисковых
операций, которые, как увидим позже, содержат
механические операции)

Универсальный принцип кэширования (2)
В общем случае информация постоянно находится
на более низком уровне иерархической структуры
памяти, а механизм управления иерархией
обеспечивает передачу на верхний уровень
наиболее вероятную для обработки информацию.
В этом случае верхний уровень работает как КЭШ
по отношению к нижнему уровню.
 Вначале идея рассматривалась только к памяти
между ЦП и ОП, затем распространилась в общем
смысле на всю иерархию памяти.

Иерархия памяти
Объем возрастает
Время обращения увеличивается
Возрастает стоимость
Возрастает скорость доступа
Registers
Cache
Main Memory
Disk Cache
Magnetic Disk
Magnetic Tape
Optical Disk
Внешняя память
Термин внешняя память (storage) относится к
носителям, применяемым в самых разнообразных
устройствах, в том числе к магнитным лентам,
оптическим дискам, гибким дискам, локальным
жестким дискам и сети устройств хранения данных
(storage area networks, SAN).
SAN – высокоскоростная сеть серверов и
доступных устройств хранения, которая формирует
систему хранения и обеспечивает централизацию и
объединение данных, традиционно по сетям Fibre
Channel.
Fibre Channel (FC) (англ. fibre channel —
волоконный канал) — семейство протоколов для
высокоскоростной передачи данных.
Архитектура ИКС
IP
Network
Клиенты
FC SAN
Серверы приложений
Массивы хранилищ