2. Аппаратное обеспечениеЭВМ.Процессор.Память. Устройства ввода-вывода.Шины

«Мозгом» компьютера является центральный процессор (CPU — Central Processing Unit). Он выбирает из памяти команды и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, декодирует ее для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считывает, декодирует и выполняет последующие команды. Таким образом осуществляется выполнение программ.

Для каждого центрального процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium не может обработать программы, написанные для SPARC, а процессор SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium. Поскольку доступ к памяти для получения команд или наборов данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, все центральные процессоры содержат внутренние регистры для хранения ключевых переменных и временных результатов. Поэтому набор 

инструкций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохранения слова из регистра в памяти. Другие команды объединяют два операнда из регистров, памяти или и того и другого и получают результат. Например, склады-

складывают два слова и сохраняют результат в регистре или памяти. Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных и временных результатов, большинство компьютеров имеет несколько специальных регистров, видимых для программиста. Один из них называется счетчиком команд (PC, program counter), в нем содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде. Еще один регистр процессора называется указателем стека (SP, stack pointer).

Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а также локальные и временные переменные, не хранящиеся в регистрах. Следующий регистр называется PSW (Processor Status Word — слово состояния процессора). Этот регистр содержит биты кода состояний, которые задаются командами сравнения, приоритетом центрального процессора, режимом  

(пользовательский или режим ядра), и другую служебную информацию. Обычно пользовательские программы могут читать весь регистр PSW целиком, но писать могут только в некоторые из его полей. Регистр PSW играет важную роль в системных

вызовах и операциях ввода-вывода.

Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является суперскалярный центральный процессор, продемонстрированный на рис. 1.6, б. В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй — для операций с плавающей точкой и еще один — для логических операций. За один такт считывается две или более коман-

команды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно заглядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должна гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция. Однако, как мы увидим в дальнейшем, при этом подходе весьма неприятные усложнения коснулись и операционной системы.

Память.

Системы памяти конструируются в виде иерархии слоев, как

показано на рис. 1.7. Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Они сделаны из того же материала, что и процессор, и так же быстры, как и сам

процессор. Поэтому при доступе к ним обычно не возникает задержек. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32 х 32 бит на 32-разрядном процессоре и 64 х 64 бит на 64-разрядном процессоре. Это составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без мешательства аппаратуры. В следующем слое находится кэш-память, в сновном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т. д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращениек кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В некоторых машинах есть два или даже три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего.

Далее следует оперативная память. Это главная рабочая область 

запоминающего устройства машины. Оперативную память часто называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, в англоязычной литературе RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом). Раньше иногда ее называли core

memory — запоминающее устройство на магнитных сердечниках, поскольку в 50-е и 60-е годы в компьютерах для оперативной памяти использовали крошечные

намагничиваемые ферритовые сердечники. Сейчас память составляет десятки и сотни мегабайт и растет с потрясающей скоростью. Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для об-

обработки в основную память. Следующим в продемонстр. на рисунке структуре идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и зачастую на два порядка больше по величине. У диска есть только одна проблема: случайный доступ к данным на нем занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию, устройство которой продемонстри на рис. 1.8.

Жесткий диск состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Механическая вилка поворачивается над дисками подобно звукоснимателю на старых граммофонах для проигрывания виниловых пластинок на скорости 33 оборота в минуту. Информация записывается на пластины в виде концентрических окружностей. Головки в каждой заданной позиции вилки могут прочитать кольцо на пластине,

называемое дорожкой. Все вместе дорожки для заданной позиции вилки формируют цилиндр. Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. На современных дисках внешние цилиндры содержат большее количество секторов, чем внутренние. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс, в зависимости от диска. Когда головка располагается над правильной дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой встал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости

от скорости вращения диска. Дальше, когда сектор уже находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с для 

низкоскоростных дисков до 160 Мбайт/с для самых высокоскоростных. Последний слой в пирамиде памяти занимает магнитная лента. Этот носитель часто используется для создания резервных копий пространства жесткого диска

или для хранения очень больших наборов данных. Для доступа к информации на ленте ее сначала нужно поместить в устройство для чтения магнитных лент — это может делать человек или робот (автоматическое управление лентами обычно используется при работе с огромными базами). Затем лента перематывается до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс может длиться минуты. Большой

плюс лент заключается в том, что они крайне дешевы и мобильны. Это очень важно для резервных копий, которые нужно содержать отдельно, чтобы они сохранились после стихийных бедствий. Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флэш- ОЗУ (flash RAM) также энергонезависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно

так же, как и ПЗУ. Дополнительное преимущество электрически стираемого ПЗУ и флэшОЗУ состоит в том, что с их помощью теперь можно исправить ошибки,

содержащиеся в программах. Существует еще один вид памяти, называемый CMOS и являющийся энергозависимым. Во многих компьютерах CMOS-память используется для хранения

текущих даты и времени. CMOS-память и часовая микросхема, отвечающая за отсчет времени, получают питание от маленького аккумулятора, поэтому компьютер всегда показывает правильное время, даже если он был выключен. CMOS также может содержать конфигурационные параметры, например указание, с какого жесткого диска производить загрузку. CMOS-память используется для этих целей,

так как она потребляет настолько мало энергии, что установленный на фабрике.

1. Как защитить программы друг от друга, а ядро системы от всех них?

2. Как управлять перемещением программ в памяти?

Простейшее решение показано на рис. 1.9, а. На рисунке видно, что компьютер оборудован двумя специальными регистрами: базовым и предельным. (Заметим, что в этой книге числа, начинающиеся с Ох, являются шестнадцатеричными в со-

соответствии с правилами орфографии языка С, а числа, начинающиеся с нуля —восьмеричными.) Когда программа начинает работать, в базовый регистр загружается адрес начала исполняемого модуля программы, а предельный регистр говорит, о том, сколько занимает исполняемый модуль программы вместе с данными. При выборке команды из памяти аппаратура проверяет счетчик команд, и если он меньше,

чем предельный регистр, то добавляет к нему значение базового регистра, а сумму передает памяти. Когда программа хочет прочитать слово данных (например, из адреса 10 000), аппаратура автоматически добавляет к этому адресу содержимое базового регистра (например, 50 000) и передает сумму F0 000) памяти. Базовый регистр дает возможность программе ссылаться на любую часть памяти, следующую

за хранящимся в нем адресом. Кроме того, предельный регистр запрещает программе обращение к любой части памяти после программы. Таким образом, с помощью этой схемы решаются обе задачи: защиты и перемещения программ. Стоимость

решения равна двум новым регистрам и незначительному увеличению времени, затрачиваемого на операцию (уходящего на проверку предела и суммирование).

В результате проверки и преобразования данных адрес, сформированный программой и называемый виртуальным, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется устройством управления памятью или диспетчером памяти (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер памяти располагается или в схеме процессора, или близко к ней, но логически находится между процессором и памятью.

Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода также тесно взаимодействуют с 

операционной системой. Как видно из рис. 1.5, устройства ввода-вывода обычно состоят из двух частей: контроллера и самого устройства. Контроллер — это микросхема

или набор микросхем на вставляемой в разъем плате, физически управляющая устройством. Он принимает команды операционной системы, например указание

прочитать данные с устройства, и выполняет их.

Следующей частью является само устройство. Устройства имеют достаточно простые интерфейсы, во-первых, потому что их возможности весьма невелики и, во-вторых, потому что нужно привести их к единому стандарту. Единый стандарт необходим, чтобы любой IDE-контроллер диска мог управлять любым IDE-диском. Аббревиатура IDE образована от Integrated Drive Electronics (встроенный интерфейс накопителей). IDE-интерфейс является стандартным для дисков на компьютерах с процессором Pentium, а также некоторых других компьютерах. Поскольку настоящий интерфейс устройства скрыт с помощью контроллера, опе-

операционная система видит только интерфейс контроллера, который может сильно отличаться от интерфейса самого устройства. Так как все типы контроллеров отличаются друг от друга, для управления ими требуется различное программное обеспечение. Программа, которая общается с контроллером, отдает ему команды и получает ответы, называется драйвером устройства. Каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для  поддер-ых им операционных систем.

Ввод и вывод данных можно осуществлять тремя различными способами. Простейший метод состоит в том, что пользовательская программа выдает системный

запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры соответствующего драйвеpa. Затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В это время драйвер выполняет очень короткий программный цикл, постоянно опрашивая готовность устройства, с которым он работает (обычно есть некий бит, который указывает на то, что устройство все еще занято). По завершении операции ввода-вывода драйвер по-

помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод называется ожиданием готовности или активным ожиданием и имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно не завершит свою работу.

Шины

У этой системы восемь шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA), каждая со своей скоростью передачи данных и своими функциями. В операционной системе для управления компьютером и его конфигурации должны находиться сведения обо всех этих шинах. Две основные шины —это ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитекту pa), оригинальная шина компьютера IBM PC, и ее преемник, шина PCI (Peripheral Component Interconnect — интерфейс периферийных устройств). Шина ISA впервые появилась на компьютерах IBM PC/AT, она работает на частоте 8,33 МГц и может передавать два байта за такт с максимальной скоростью 16,67 Мбайт/с. Она включена в систему для обратной совместимости со старыми медленными

платами ввода-вывода. Шина PCI была создана компанией Intel в качестве преемницы шины ISA. Она может работать на частоте 66 МГц и передавать сразу по 8 байт за такт со скоростью 528 Мбайт/с. Сейчас большинство высокоскоростных устройств ввода-вывода используют шины PCI. Даже некоторые компьютеры с

процессорами, отличными от Intel, пользуются шиной PCI, поскольку с ней совместимо очень много плат ввода-вывода.

При такой конфигурации центральный процессор по локальной шине передает данные микросхеме PCI-моста, который, в свою очередь, обращается к памяти

по выделенной шине памяти, часто работающей на частоте 100 МГц. Системы Pentium имеют кэш первого уровня (кэш L1), встроенный в процессор, и намного больший внешний кэш второго уровня (кэш L2), подключенный к процессору

отдельной шиной кэша.

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) была придумана для того, чтобы присоединить к компьютеру все медленные устройства ввода-вывода, такие как клавиатура и мышь. Она использует маленький четырехпроводной разъем, причем два провода поставляют электропитание к USB-устройствам. USB — это централизованная шина, по которой главное устрой-

устройство каждую миллисекунду опрашивает устройства ввода-вывода, чтобы узнать, есть ли у них данные. Она может управлять загрузкой данных со скоростью 1,5 Мбайт/с.Все USB-устройства используют один драйвер, избавляя нас тем самым от необходимости установки новых драйверов для каждого нового USB-устройства. Поэтому USB-устройства можно присоединять к системе без ее перезагрузки. SCSI (Small Computer System Interface — системный интерфейс малых компьютеров) — это высокопроизводительная шина, применяемая для быстрых дисков, сканеров и других устройств, нуждающихся в значительной пропускной способности. Ее производительность достигает 160 Мбайт/с. Шина SCSI используется в системах Macintosh с момента их появления, кроме того, она популярна в UNIX- системах и некоторых системах на базе процессоров Intel.