Главная страница
Культура
Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология

архитектура часть 2. 33. Переключение задач. Переключение между реальным и защищенным режимами. Ответ



Скачать 149.73 Kb.
Название33. Переключение задач. Переключение между реальным и защищенным режимами. Ответ
Анкорархитектура часть 2.docx
Дата18.12.2017
Размер149.73 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлаархитектура часть 2.docx
ТипДокументы
#12967
КатегорияИнформатика. Вычислительная техника

33.Переключение задач. Переключение между реальным и защищенным режимами.
Ответ:
Переключение ЦП из реального в защищенный режим осуществляется загрузкой в системный сегмент CR0 слова с единичным значением бита PE до переключения.

В память должны быть проинициализированы локальная и глобальная таблицы дескрипторов.
Переключение ЦП из защищенного в реальный возможно не только через аппаратные средства, как в процессоре i80286, но и с помощью сброса единичного бита PE в регистре CR0.

До этого переключения необходимо загрузить в сегментный регистр селектора дескриптор, описывающий свойства сегмента стандартного реального режима.
34. Современные процессоры.
Ответ:
Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ.
Современный процессор – это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки.
Процессоров состоит из:


  • Одного или нескольких ядер

  • Контроллер ОЗУ

  • Несколько уровней кэш-памяти (2 или 3)

  • Контроллер системной шины (HT,QRI,DMI)


И характеризуется следующими параметрами:

  • Типом микроархитектуры

  • Размером обрабатываемых слов

  • Тактовой частотой

  • Наличием/отсутствием встроенного контроллера памяти

  • Набором выполняемых команд

  • Типом поддерживаемой ОП

  • Кол-вом уровней кэш-памяти

  • Объемом адресной памяти

  • Типом и скоростью системной шины

  • Наличием/отсутствием встроенного графического ядра

  • энергопотреблением


Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций.
ЦП состоит из нескольких функциональных блоков:

  • блока выборки инструкций;

  • блоков декодирования инструкций;

  • блоков выборки данных;

  • управляющего блока;

  • блоков выполнения инструкций;

  • блоков сохранения результатов;

  • блока работы с прерываниями;

  • ПЗУ, содержащего микрокод;

  • набора регистров;

  • счетчика команд.

(продолжение вопроса 34)

Блок выборки инструкций осуществляет считывание инструкций по адресу, указанному в счетчике команд. Обычно, за такт он считывает несколько инструкций.

Для того чтобы блок выборки инструкций работал оптимально, в ядре процессора имеется предсказатель переходов.
Предсказатель переходов пытается определить, какая последовательность команд будет выполняться после совершения перехода.
Блоки декодирования – это блоки, которые занимаются декодированием инструкций, т.е. определяют, что надо сделать процессору, и какие дополнительные данные нужны для выполнения инструкции (задача эта построенных на базе концепции CISC)
Блоки выборки данных осуществляют выборку данных из КЭШ-памяти или ОЗУ, необходимых для выполнения текущих инструкций.

Обычно, каждое процессорное ядро содержит несколько блоков выборки данных.
Управляющий блок на основании декодированных инструкций управляет работой блоков выполнения инструкций, распределяет нагрузку между ними, обеспечивает своевременное и верное выполнение инструкций. Это один из наиболее важных блоков ядра процессора.
Блоки выполнения инструкций включают в себя несколько разнотипных блоков:

ALU – арифметическое логическое устройство;

FPU – устройство по выполнению операций с плавающей точкой;

Блоки для обработки расширения наборов инструкций – это дополнительные инструкции используются для ускорения обработки потоков данных, шифрования и дешифрования, кодирования видео и так далее. Для этого в ядро процессора вводят дополнительные регистры и наборы логики.
Блок сохранения результатов обеспечивает запись результата выполнения инструкции в ОЗУ по адресу, указанному в обрабатываемой инструкции.
Блок работы с прерываниями. Работа с прерываниями – одна из важнейших задач процессора, позволяющая ему своевременно реагировать на события, прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Благодаря наличию прерываний, процессор способен к многозадачности.
Регистры – сверхбыстрая оперативная небольшого объема для временного хранения промежуточных результатов выполнения инструкций.
Регистры процессора делятся на два типа:

  • Регистры общего назначения - используются при выполнении арифметических и логических операций, или специфических операций дополнительных наборов инструкций

  • Специальные регистры - содержат системные данные, необходимые для работы процессора (регистры управления, регистры системных адресов, регистры отладки и т.д.).


Счетчик команд – регистр, содержащий адрес команды, которую процессор начнет выполнять на следующем такте работы.

35.Назначение и характеристики ВС. Организация вычислений в вычислительных системах. ЭВМ параллельного действия, понятия потока команд и потока данных.
Ответ:
Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ.
Отличие ВС от классических ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
Параллельная обработка повышает быстродействие, надежность и достоверность функционирования системы.
В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.
ВС делаться на:

  1. Многомашинные ВС.

Несколько ЦП, входящих в систему, не имеют общей ОП, а имеет каждый свою.

Каждый компьютер имеет классическую архитектуру. Достигается мах. эффект при выполнении задачи, разбитой на подсистемы, сколько компьютеров в системе.


  1. Многопроцессорные ВС.

Здесь параллельно может быть организовано много потоков команд и много потоков данных. Таким образом параллельно могут выполняться несколько фрагментов задачи.

Несколько ЦП имеет общую ОП.




  1. Архитектура с параллельным процессором.

Здесь несколько АЛУ работают под одним УУ. Это означает, множество данных могут обрабатываться по одной программе, т.е. по одному потоку команд.

Поток команд - естественная последовательность команд, проходящая по конвейеру процессора. 

Поток данных - это информация, передаваемая через некоторое соединение от источника к приемнику.
36. Конвейеризация вычислений. Конвейер команд, конвейер данных. Суперскаляризация.
Ответ:
Конвейеризация вычислений. Конвейер команд, конвейер данных.
Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью.
Для решения этой проблемы выполнение инструкций построено по принципу конвейера, то есть по мере освобождения блоков ядра, они загружаются обработкой следующей инструкции, не дожидаясь пока предыдущая инструкция выполнится полностью.
Так как процессор выполняет команды непрерывно, то, в идеале, он мог бы быть занят на 100%, при этом, чем длиннее был бы конвейер, тем больший выигрыш в производительности был бы получен. Но на практике это не так.


  1. В инструкциях часто встречаются переходы. При этом пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.


Поэтому в ядро процессора вводятся блоки предсказания условных переходов. Основная задача этих блоков – определить, когда будет совершен условный переход и какие команды будут выполнены после совершения условного перехода.


  1. Часто обрабатываемые инструкции – взаимосвязаны, то есть одна из инструкций требует в качестве исходных данных результата выполнения другой инструкции.


Поэтому процессоры могут анализировать код на несколько инструкций вперед и, например, параллельно с первой инструкцией обработать третью инструкцию, которая никак не зависит от первых двух.
Суперскаляризация
Суперскалярность – архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в нескольких экземплярах.
Например: в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.

В этом случае блоки, выполняющие более сложные действия и работающие дольше, за счет параллельной обработки сразу нескольких инструкций не будут задерживать весь конвейер.

Однако параллельное выполнение инструкций возможно, только если эти инструкции – независимые.
Структурная схема ядра конвейера гипотетического процессора, построенного с использованием принципа суперскалярности, в нем в каждом ядре процессора работает несколько блоков декодирования, несколько блоков выборки данных и несколько блоков выполнения инструкций.

37.Классификация ВС в зависимости от числа потоков команд и данных: ОКОД (SISD), ОКМД (SIMD), МКОД (MISD), МКМД (MIMD).
Ответ:
Архитектура ОКОД (SISD) - одиночный поток команд – одиночный поток данных.

Охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты схем.

Все ЭВМ классической структуры относятся к этому классу.
Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а так же параллельной работой устройств ввода-вывода и процессора.





Архитектура ОКМД (SIMD) - одиночный поток команд – множественный поток данных.

Предполагает создание структур векторной и матричной обработки.

Здесь системы строятся однородными, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентично, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных.
Структуры ВС этого типа специализируются в суперЭВМ.
Архитектура МКОД (MISD) - множественный поток команд – одиночный поток данных.

Предполагает построение процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочки.




Здесь конвейеры должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выяснить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях.

Архитектура МКМД (MIMD) - множественный поток команд – множественный поток данных.

Предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы.
Здесь возможно согласовывать работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи.
Подобные системы могут быть многопроцессорными и многомашинными.

38.Классификация многопроцессорных ВС. Сравнительные характеристики, аппаратные и программные особенности.
Ответ:
Классификация:
Многопроцессорные ВС:

Общая память UMA

SMP

PVP

Распределённая память NUMA

NCC-NUMA

CC-NUMA

COMA

Общая память UMA

SMP – симметричная многопроцессорная архитектура.

Особенность – наличие общей физической памяти, разделенной ЦП.




Память является способом передачи сообщений между процессорами, при этом все вычислительные устройства при обращении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Поэтому SMP архитектура называется симметричной.
SMP-система строится на основе высоко скоростной системной шины, к слотам которой подключаются функциональные блоки трех типов: ЦП, ОП и подсистема ввода/вывода (I/O).
Вся система работает под управлением единой ОС (обычно UNIX-подобной, но для Intel-платформ поддерживается Windows NT). ОС автоматически (в процессе работы) распределяет процессы по процессорам, но иногда возможна и явная привязка. 


Достоинства:

  • простота и универсальность для программирования.

  • легкость в эксплуатации.

  • относительно невысокая цена.

Недостатки:

  • плохо масштабируемы - в данный момент шина способна обрабатывать только одну транзакцию, вследствие чего возникают проблемы разрешения конфликтов при одновременном обращении нескольких процессоров к одним и тем же областям общей физической памяти.


PVP – параллельно векторная архитектура.
Особенность - наличие специальных векторно-конвейерных процессоров, в которых предусмотрены команды однотипной обработки векторов независимых данных, эффективно выполняющиеся на конвейерных функциональных устройствах.
Несколько таких процессоров (1-16) работают одновременно с общей памятью (аналогично SMP) в рамках многопроцессорных конфигураций.

Несколько таких узлов могут быть объединены с помощью коммутатора (аналогично MPP).
Передача данных в векторном формате осуществляется намного быстрее, чем в скалярном, поэтому проблема взаимодействия между потоками данных при распараллеливании становится несущественной. И то, что плохо распараллеливается на скалярных машинах, хорошо распараллеливается на векторных. Таким образом, системы PVP архитектуры могут являться машинами общего назначения. Однако, поскольку векторные процессоры весьма дороги, эти машины не будут являться общедоступными. 

(продолжение вопроса 38).
Распределённая память NUMA

NCC-NUMA – гибридная архитектура.
Особенность – неоднородный доступ к памяти.

Суть NCC-NUMA: память физически распределена по различным частям системы, но логически разделяемой, так что пользователь видит единое адресное пространство.
Система состоит из однородных базовых модулей, состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора.
Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной.
По существу архитектура NUMA является массивно-параллельная архитектура, где в качестве отдельных вычислительных элементов берутся SMP узлы
CC-NUMA – когерентный кэш неоднородного доступа к памяти.
Здесь все ЦП получают одинаковые значения одних и тех же переменных в любой момент времени. 

Поскольку кэш-память принадлежит отдельному компьютеру, а не всей многопроцессорной системе в целом, данные, попадающие в кэш одного компьютера, могут быть недоступны другому. Чтобы избежать этого, следует провести синхронизацию информации, хранящейся в кэш-памяти процессоров.  Для обеспечения подобной когерентности кэшей существуют несколько возможностей: 


  • использовать механизм отслеживания запросов, в котором кэши отслеживают переменные, передаваемые к любому из центральных процессоров и, при необходимости, модифицируют копии; 




  • выделять специальную часть памяти, отвечающую за отслеживание достоверности всех используемых копий переменных.  



Обычно вся система работает под управлением единой ОС. Возможны также варианты динамического "подразделения" системы, когда отдельные "разделы" системы работают под управлением разных ОС.
COMA – кэшевая архитектура разделенной памяти.
Здесь есть общая разделяемая часть памяти, представленная в виде кэша. Это требует перемещения данных к ЦП, который запросил их.
В СОМ отсутствует иерархия памяти. Адресное пространство составлено из адресных пространств всех кэшей.

38.Классификация многомашинных ВС. Назначение, характеристики, особенности.
Ответ:
Классификация:
Многомашинные ВС NORM

MPP

Clusters
MPP – массивно-параллельная архитектура.
Особенность: память физически разделена.
Система строится из отдельных модулей, содержащих ЦП, локальный банк ОП, 2 коммуникационных процессора (рутера) или сетевой адаптер, иногда - жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.

1 рутер – для передачи данных.

2 рутер – для передачи команд.
Доступ к банку ОП из данного модуля имеют только ЦП из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами
Используются 2 варианта работы ОС на машинах MPP архитектуры :

  1. на каждом модуле работает сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу только расположенной в нем ветви параллельного приложения.

  2. на каждом модуле работает полноценная UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно на каждом модуле. 


Преимущество – хорошая масштабируемость, т.е. ЦП имеет доступ только к своей локальной памяти.
Недостатки:

  • отсутствие общей памяти

  • каждый процесс может использовать только ограниченный объем локальной памяти.


Clusters – кластерная архитектура.
Кластер - два или больше компьютеров (узлов), объединяемых при помощи сетевых технологий на базе шинной архитектуры или коммутатора и предстающих перед пользователями в качестве единого информационно-вычислительного ресурса.
В качестве узлов кластера могут быть выбраны серверы, рабочие станции, персональные компьютеры. 
Преимущества:

  • возможность масштабируемости кластеров. Это позволяет многократно увеличивать производительность приложений.


(продолжение вопроса 38)

Способ соединения ЦП друг с другом в большей степени определяет производительность системы, чем тип ЦП.
Критическим параметром влияющим на производительность является расстояние между ЦП.
Схема соединения ЦП в виде плоской решетки:
При этом тип соединения мах. расстояние между ЦП равно 6. Но теоритически, если расстояние между ЦП превышает 4, то она считается не эффективной.
Поэтому, при соединении 16-ти ЦП между собой плоская схема является не эффективной.
Трехмерная и четырех мерная схемы соединения ЦП:

Архитектура гиперкуба является второй по эффективности, но самой наглядной. Используются и другие топологии сетей связи: трехмерный тор, "кольцо", "звезда" и другие.
Наиболее эффективной является архитектура с топологией "толстого дерева" (fat-tree).
Архитектура «толстого дерева»:




ЦП локализованы в листьях дерева, в то время как внутренние узлы дерева скомпонованы во внутреннюю сеть.
Поддеревья могут общаться между собой, не затрагивая более высоких уровней сети.

В кластерах, как правило, используются ОС, стандартные для рабочих станций, чаще всего, свободно распространяемые - LinuхFreeBSD, вместе со специальными средствами поддержки параллельного программирования и балансировки нагрузки. 

40.Системная BIOS, интерфейс, тест начального включения, начальная загрузка системные вызовы (прерывания).
Ответ:
BIOS – эта микросхема содержит стартовые программы и драйверы, необходимые для запуска системы и функционирования основного аппаратного обеспечения, а также ней также содержатся процедура самотестирование при включении питания и данные системной конфигурации.
Тест начального включения
После включения питания ЦП приступает к выполнению инструкций BIOS. ЦП обращается к начальной адресуемой ячейке микросхемы, в которой записан специальный код. 


Первый набор инструкций - POST (самопроверка при включении питания). В нём предусмотрены следующие действия:

  • Начальная проверка оборудования и тест на исправность ОП.

  • Считывание из CMOS настроек системной конфигурации.

  • Установление частоты шин в соответствии с настройками, содержащимися в CMOS.

  • Проверка наличия устройств, необходимых для загрузки ОС: дисковода, винчестера и привода компакт-дисков или DVD.

  • Инициализация видеоадаптера, клавиатуры, дисковода.

  • Подача звукового сигнала о прохождении проверки.

  • Инициализация остальных устройств (согласно настройкам CMOS).


Начальная загрузка системные вызовы (прерывания).
Обращения к обслуживаниям BIOS реализуются с помощью программных прерываний, которые аналогичны аппаратным прерываниям, но генерируются программами внутри процессора, а не вне процессора периферийными устройствами.

Использование прерываний позволяет обращаться к BIOS, не зная, где в памяти находится каждая процедура.
Обычно для вызова процедуры необходимо знать ее адрес. Вместе с прерываниями используется таблица векторов прерываний, которая устраняет необходимость знания адреса. При запуске системы BIOS помещает в эту таблицу адреса, показывающие, где находятся процедуры для каждого прерывания. Когда впоследствии DOS или приложению требуется процедура BIOS, они генерируют программное прерывание. Система обрабатывает прерывание, отыскивает адрес в таблице и автоматически переходит к процедуре BIOS.
написать администратору сайта