Аппаратная платформа вычислительной системы

63. Что включает в себя современный аппаратно-программный комплекс?

Аппаратно-программный комплекс — это продукт, в состав которого входят технические средства и программное обеспечение, совместно применяемые для решения задач определенного типа.

Состоит, соответственно, из двух основных частей:

Аппаратная часть (Hardware) — устройство сбора и/или обработки информации например компьютер, плата видеозахвата, биометрический детектор, калибратор и т. д.

Программная часть (Software) — специализированное ПО (как правило, написано компанией — производителем аппаратной части), обрабатывающее и интерпретирующее данные, собранные аппаратной частью. (1 вариант)

1. аппаратная часть (2 вариант)

2. пользовательская часть

3. программный интерфейс.

64. Какими уровнями представляют операционную систему?

http://life-prog.ru/view_os.php?id=8 (расписаны уровни)

65. Что является основным узлом вычислительной системы?

Микропоцессор.

66. Перечислите основные элементы структуры микропроцессора х86.

· Устройство управления (УУ).

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ

· AGU (Address Generation Unit)

· Математический сопроцессор (FPU).

· Дешифратор инструкций (команд).

· Кэш-память.

1. Кэш первого уровня (L1 cache).

2. Кэш второго уровня (L2 cache).

3. Основная память.

· Шина

1. Шина данных.

2. Шина адресов

3. Шина управления.

· BTB (Branch Target Buffer)

· Регистры

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

1. сумматор

2. счетчик команд

3. регистр команд

67. Что такое центральное процессорное устройство (CentralProcessing Unit, CPU, ЦПУ)?

Центральное устройство ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода - вывода, подготовки данных и др.).

68. Назовите основную функцию центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit).

· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

· программное управление работой устройств компьютера.

69. Как центральное процессорное устройство (ЦПУ, Central Processing Unit) взаимодействует с другими устройствами вычислительной системы?

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы.

70. Назовите шины стандарта промышленной архитектуры вычислительной системы.

1. Шина данных.

2. Шина адресов

3. Шина управления.

16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса

71. Что представляет собой шина PCI Express.

PCI-Express – это последовательный интерфейс, разработанный организацией PCI-SIG во главе Intel и предназначенный для использования в качестве локальной шины вместо PCI.

72. Как управляются шины в вычислительной системе?

Центральным процессором

73. Чем управляет микросхема (chip set) северного моста?

Через Front Side Bus — микропроцессор, если в составе процессора нет контроллера памяти, то через шину контроллера памяти — оперативная память, через шину графического контроллера — видеоадаптер (в материнских платах нижнего ценового диапазона видеоадаптер часто встроенный). В таком случае северный мост, произведенный Intel, называется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub).

74. Чем управляет микросхема (chip set) южного моста?

контроллеры шин PCI, PCI Express, SMBus, I2C, LPC, Super I/O;

DMA контроллер;

контроллер прерываний;

PATA (IDE) и SATA контроллеры;

часы реального времени (Real Time Clock);

управление питанием (Power management, APM и ACPI);

энергонезависимую память BIOS (CMOS);

звуковой контроллер (обычно AC'97 или Intel HDA).

75. Из каких полей состоит ячейка оперативного запоминающего устройства?

Ячейки памяти статической ОЗУ можно рассматривать как регистр памяти с тремя состояниями выхода, дополненный простейшей логикой управления.

76. Назовите основные компоненты центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit) и их функции.

Процессор состоит из арифметико-логического устройства, АЛУ (Arithmetic and Logic Unit, ALU), устройства управления, УУ (Control Unit, CU) и системных регистров (System Register.)

77. Назовите основные элементы устройства управления внешними компонентами (УУВК) вычислительной системе.

Дешифратор команд, устройство памяти микрокоманд, счетчик микрокоманд и устройство управления выполнением микрокоманд

78. Как в современной вычислительной системе выравнивается быстродействие ее компонент?

Аналогично работе процессора и операционной памяти. Т.е. более быстродействующие компоненты работают с большим количеством других компонент.

79. Поясните назначение регистров центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit) и их функции.

Блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к которому программист обратиться не может.

80. Поясните роль регистров общего назначения в центральном процессорном устройстве (ЦПУ, Central Processing Unit).

Все регистры этой группы позволяют работать с функциональными («младшими») регистрами.

81. Назовите состав регистров общего назначения центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit).

Перечислим регистры, относящиеся к группе регистров общего назначения:

· (Accumulator register) — аккумулятор. Применяется для хранения промежуточных данных. В некоторых командах использование этого регистра обязательно;

· (Base register) — базовый регистр. Применяется для хранения базового адреса некоторого объекта в памяти;

· (Count register) — регистр-счетчик. Применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия. Его использование зачастую неявно и скрыто в алгоритме работы соответствующей команды. К примеру, команда организации цикла loop кроме передачи управления команде, находящейся по некоторому адресу, анализирует и уменьшает на единицу значение регистра

· (Data register) — регистр данных. Хранит промежуточные данные;

· (Source Index register) — индекс источника. Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес элемента в цепочке-источнике;

· (Destination Index register) — индекс приемника (получателя). Этот регистр в цепочечных операциях содержит текущий адрес в цепочке-приемнике;

· (Stack Pointer register) — регистр указателя стека. Содержит указатель вершины стека в текущем сегменте стека;

· (Base Pointer register) — регистр указателя базы кадра стека. Предназначен для организации произвольного доступа к данным внутри стека.

82. Назовите группы специальных регистров центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit).

Сегментные регистры

Регистры состояния(флаги)

Регистры результата(флаги)

Регистры управления

регистры системных адресов;

регистры отладки.

(флаги) Иногда относят к одному типу регистров, кратко называемые флажками.

83. Поясните назначение регистров (ЦПУ, Central Processing Unit), отвечающих за состояние исполняемой программы и их функции.

В микропроцессор включены несколько регистров, которые постоянно содержат информацию о состоянии как самого микропроцессора, так и программы, команды которой в данный момент загружены на конвейер.

Используя эти регистры, можно получать информацию о результатах выполнения команд и влиять на состояние самого микропроцессора.

84. Поясните назначение регистров результата (ЦПУ, Central Processing Unit) и их функции.

Регистр результата отражает особенности результата исполнения арифметических или логических операций. Это дает возможность анализировать состояние вычислительного процесса и реагировать на него с помощью команд условных переходов и вызовов подпрограмм.

85. Поясните назначение регистров управления (ЦПУ, Central Processing Unit) и их функции.

Хотя микропроцессор имеет четыре регистра управления, доступными являются только три из них - исключается cr1

Регистр cr0 содержит системные флаги, управляющие режимами работы микропроцессора и отражающие его состояние глобально, независимо от конкретных выполняющихся задач.

Назначение системных флагов:

· pe (Protect Enable), бит 0 — разрешение защищенного режима работы. Состояние этого флага показывает, в каком из двух режимов — реальном (pe=0) или защищенном (pe=1) — работает микропроцессор в данный момент времени;

· mp (Math Present), бит 1 — наличие сопроцессора. Всегда 1;

· ts (Task Switched), бит 3 — переключение задач. Процессор автоматически устанавливает этот бит при переключении на выполнение другой задачи;

· am (Aligment Mask), бит 18 — маска выравнивания. Этот бит разрешает (am = 1) или запрещает (am = 0) контроль выравнивания;

· cd (Cache Disable), бит 30, — запрещение кэш-памяти. С помощью этого бита можно запретить (cd = 1) или разрешить (cd = 0) использование внутренней кэш-памяти (кэш-памяти первого уровня);

· pg (PaGing), бит 31, — разрешение (pg = 1) или запрещение (pg = 0) страничного преобразования.

Регистр cr2 используется при страничной организации оперативной памяти для регистрации ситуации, когда текущая команда обратилась по адресу, содержащемуся в странице памяти, отсутствующей в данный момент времени в памяти.

Регистр cr3 также используется при страничной организации памяти.

86. Поясните назначение запроса прерывания (Interrupt ReQuest, IRQ).

Факт возникновения события, которые исходят от внешних источников (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент.

87. Как организованы приоритеты в системе прерываний вычислительной системы?

Приоритеты прерываний организованны по Карте прерываний IRQ:

0 — системный таймер (номер всегда занят);

1 — клавиатура (номер всегда занят);

2 — второй контроллер прерываний (всегда занят);

3 — порт COM2 (может быть отключен, а номер — освобожден);

4 — порт COM1 (может быть отключен, а номер — освобожден);

5 — порт LPT2 (обычно номер свободен);

6 — контроллер гибких дисков (может быть отключен, а номер — освобожден);

7 — порт LPT1 (если не в режиме EPP или ECP, то номер свободен);

8 — часы реального времени (всегда занят);

9 — свободен;

10 — свободен;

11 — свободен;

12 — мышь PS/2 (может быть свободен, если нет такой мыши);

13 — сопроцессор (всегда занят);

14 и 15 — контроллер жестких дисков (может быть отключен, а номер — освобожден).

В типичной системе свободны номера 5, 7, 9-11, то есть пять из пятнадцати. Свободны — не значит, что не заняты, просто между ними возможна свободная перетасовка.

88. Как выполняется обработка прерываний (Interrupt ReQuest, IRQ)?

После получения сообщения о прерывании, происходит обработка прерывания осуществляющаяся в порядке Карты прерываний с заранее присвоенным для неё номером. Активизация процесса прерывания зависит от номера IRQ.

89. Поясните состав, и функции контроллера прерываний.

Контроллер прерываний представляет из себя простой счётчик, который либо последовательно перебирает сигналы разных устройств, либо сбрасывается на начало при нахождении нового прерывания. В первом случае устройства имеют равный приоритет, во втором устройства с меньшим (или большим при обратном счёте) порядковым номером обладают большим приоритетом

Он отвечает за возможность последовательной обработки запросов на прерывание от разных устройств.

90. Опишите организацию работы системы прерываний.

При обработке события, связанного с возникновением прерывания на первом этапе работает аппаратура ВС. При этом аппаратно (без участия программы) выполняются следующие действия:

1. Включается режим блокировки прерываний. При этом режиме в системе запрещается инициализация новых прерываний. Возникающие в это время прерывания могут либо игнорироваться, либо откладываться (зависит от конкретной аппаратуры ЭВМ и типа прерывания).

2. Обработка прерывания предполагает сохранение возможности корректного продолжения прерванной программы (процесса) с точки прерывания. Поэтому следующий шаг аппаратной обработки – “малое упрятывание“ – копирование в специальную регистровую память ЦП (регистровый буфер, таблицу) минимального количества регистров и настроек ЦП, достаточных для запуска программы ОС, обрабатывающей прерывания. Это заведомо счетчик команд, регистр результата, некоторое количество регистров общего назначения. Следует отметить, что возможно организовать копирование (или упрятывание) всех регистров, используемых программой, но это, в общем случае, нецелесообразно, так как может потребовать значительных объемов регистровой памяти, а также потребует значительного времени работы в режиме блокировки прерываний.

3. До данного момента времени все действия происходили в режиме блокировки прерываний. Потому что режим блокировки прерываний – единственная гарантия оттого, что не придет новое прерывание и при его обработке не потеряются данные, необходимые для продолжения прерванной программы (регистры, режимы, таблицы ЦП). После полного упрятывания происходит разблокировка прерывания (то есть включается стандартный режим, при котором возможно появление прерываний).

4. Заключительный этап – завершение обработки прерывания.

91. Что такое малое упрятывание?

“малое упрятывание“ – копирование в специальную регистровую память ЦП (регистровый буфер, таблицу) минимального количества регистров и настроек ЦП, достаточных для запуска программы ОС, обрабатывающей прерывания.

92. Что такое код прерываний?

Код прерывания - двоичное число, поставленное в соответствие каждому уровню, объединяющему несколько источников прерывания, и позволяющее прерывающей программе определить, какой из источников вызвал прерывание по данному уровню.

93. Что такое полное упрятывание?

Осуществляется полное упрятывание состояния всех ресурсов ЦП, использовавшихся прерванной программой (все регистры, настройки, режимы и т.д.) в специальную программную таблицу. То есть в данную таблицу копируется содержимое аппаратной таблицы, содержащей сохраненные значения ресурсов ЦП после малого упрятывания, а также копируются все оставшиеся ресурсы ЦП используемые программно, но не сохраненные при малом упрятывании. После данного шага программе обработки прерываний становятся доступны все ресурсы ЦП, а прерванная программа получает статус ожидания завершения обработки прерывания. В общем случае программ или процессов, ожидающих завершения обработки прерывания может быть произвольное количество.

94. Что такое буферная память?

Это кратковременная память, в которой хранение информации обеспечивается за счет цикличности процесса обработки информации (повторение запоминаемой информации, сканирование).

95. Как регистры центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit) выполняют буферизацию оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)?

Посредствам регистров флага типа "аккумулятор".

96. При каких условиях буферная память работает наиболее эффективно?

Когда данные гарантированно будут повторно использованы в ближайшее время.

97. Что такое ассоциативная память?

Ассоциативная память (АП) или Ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ) является особым видом машинной памяти, используемой в приложениях очень быстрого поиска. Известна также как память, адресуемая по содержимому, ассоциативное запоминающее устройство, контентно-адресуемая память или ассоциативный массив, хотя последний термин чаще используется в программировании для обозначения структуры данных.

98. Для чего используется кэш-буфер в современной микроархитектуре вычислительных систем?

Для ускорения вычислений.

99. Что такое латентность (latency) памяти в современных вычислительных системах?

Скорость доступа к памяти от процессора.

100. Как организована кэш-память в современных вычислительных системах?

L1, L2, L3 Внутри процессора (Работает с такой же или такого же порядка частотой)

101. Почему кэш-память организуют каскадно — уровнями?

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти.

(Одной из проблем является фундаментальная проблема баланса между задержками кэша и интенсивностью попаданий. Большие кэши имеют более высокий процент попаданий но, вместе с тем, и большую задержку.)

102. Как организовано расслоение памяти в современных вычислительных системах и к чему это приводит?

Максимальное количество кэшей — четыре. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать трёх. Кэш-память уровня N+1, как правило, больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Многоуровневые кэши обычно работают в последовательности от меньших кэшей к большим. Сначала происходит проверка наименьшего и наибыстрейшего кэша первого уровня (L1), в случае попадания процессор продолжает работу на высокой скорости. Если меньший кэш дал промах, проверяется следующий, чуть больший и более медленный кэш второго уровня (L2), и так далее, пока не будет запроса к основному ОЗУ.

Их расслоение памяти позволяет избегать лишних запросов к ОЗУ и тем самым повысить скорость работы ЭВМ

(В случае отсутствия затребованных данных в кэшах, производится чтение из ОЗУ.)