Защищенный режим (Protected Mode)

Основным режимом работы микропроцессора является защищенный режим. Ключевыми особенностями защищенного режима являются: виртуальное адресное пространство,защитаимногозадачность.

В защищенном режиме программа оперирует адресами, которые могут относиться к физически отсутствующим ячейкам памяти, поэтому такое адресное пространство называется виртуальным. Размер виртуального адресного пространства программы может превышать емкость физической памяти и достигать 64Тбайт. Для адресации виртуального адресного пространства используетсясегментированная модель, в которой адрес состоит из двух элементов: селектора сегмента и смещения внутри сегмента. С каждым сегментом связана особая структура, хранящая информацию о нем, - дескриптор. Кроме "виртуализации" памяти на уровне сегментов существует возможность "виртуализации" памяти при помощи страниц - страничная трансляция. Страничная трансляция предоставляет удобные средства для реализации в операционной системе функций подкачки, а кроме того в процессорах P6+ обеспечивает 36-битную физическую адресацию памяти (64Гбайт).

Встроенные средства переключения задач обеспечивают многозадачность в защищенном режиме. Среда задачи состоит из содержимого регистров МП и всего кода с данными в пространстве памяти. Микропроцессор способен быстро переключаться из одной среды выполнения в другую, имитируя параллельную работу нескольких задач. Для некоторых задач может эмулироваться управление памятью как у процессора 8086. Такое состояние задачи называется режимом виртуального 8086 (Virtual 8086 Mode). О пребывании задачи в таком состоянии сигнализирует бит VM в регистре флагов. При этом задачи виртуального МП 8086 изолированы и защищены, как от друг друга, так и от обычных задач защищенного режима.

Защита задач обеспечивается следующими средствами:контроль пределов сегментов,контроль типов сегментов,контроль привилегий,привилегированные инструкцииизащита на уровне страниц. Контроль пределов и типов сегментов обеспечивает целостность сегментов кода и данных. Программа не имеет права обращаться к виртуальной памяти, выходящей за предел того или иного сегмента. Программа не имеет права обращаться к сегменту данных как к коду и наоборот. Архитектура защиты микропроцессора обеспечивает 4 иерархических уровня привилегий, что позволяет ограничить задаче доступ к отдельным сегментам в зависимости от ее текущих привилегий. Кроме того, текущий уровень привилегий задачи влияет на возможность выполнения тех или иных специфических команд (привилегированных инструкций). Функции страничной трансляции, впервые появившиеся в МП Intel386, обеспечивают дополнительные механизмы защиты на уровне страниц.

Реальный режим (Real Mode)

В реальном режиме микропроцессор работает как очень быстрый 8086 с возможностью использования 32-битных расширений. Механизм адресации, размеры памяти и обработка прерываний (с их последовательными ограничениями) МП Intel386 в реальном режимеполностью совпадают с аналогичными функциями МП 8086. В отличие от 8086 микропроцессоры 286+ в определенных ситуациях генерируют исключения, например, при превышении предела сегмента, который для всех сегментов в реальном режиме - 0FFFFh.

Имеется две фиксированные области в памяти, которые резервируются в режиме реальной адресации:

· область инициализации системы

· область таблицы прерываний

Вопрос№2 Основные компоненты ЭВМ. Основные типы архитектур.

процессор, память, системная шина,внешние устройства

Основные классические типы архитектур:

магистральная,

«звезда»,

иерархическая.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Архитектура типа «звезда» предполагает, что ЦП соединяется непосредственно с внешними устройствами и управляет их работой. Каждое устройство может связываться с любым другим. Этот способ применялся в двух первых поколениях машин, но с возрастанием числа устройств машины такую организацию становится очень сложно реализовать

В настоящее время используется иерархическая архитектура: ЦП соединен с периферийными процессорами, управляющими другими периферийными процессорами или внешними устройствами.

Вопрос№3 Типы вычислительных систем. Ассоциативные системы. Матричные системы

Ассоциативные системы -К числу систем класса ОКМД относятся и ассоциативные системы. Эти системы, как и матричные, характеризуются наличием большого числа операционных устройств, способных одновременно, по командам одного управляющего устройства вести обработку нескольких потоков данных. Но эти устройства существенно отличаются от матричных способами формирования потоков данных. В матричных системах данные поступают на обработку от общих или раздельных запоминающих устройств с адресной выработкой информации либо непосредственно от устройств - источников данных. В ассоциативных системах информация на обработку поступает от ассоциативных запоминающих устройств, характеризующихся тем, что информация из них выбирается не по определенному адресу, а по её содержимому.

Таким образом, ассоциативную систему (ассоциативный процессор) можно представить в общем случае как систему, обладающую следующими свойствами:

1. данные, находящиеся в памяти, могут выбираться на основании их содержания или части их содержания (не по их адресам);

2. операции преобразования данных, как арифметические, так и логические, могут осуществляться над несколькими множествами аргументов при помощи одной команды.

Матричные системы -Наиболее распространенными из систем класса ОКМД являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся параллелизмом независимых объектов или параллелизмом данных. Организация систем этого типа на первый взгляд достаточно проста: общее управляющее устройство, генерирующее поток команд, и большое число устройств работающих параллельно обрабатывающих каждый свой поток данных. Таким образом, производительность системы оказывается равной сумме производительностей всех обрабатывающих устройств. Однако на практике, чтобы обеспечить достаточную эффективность системы при решении широкого круга задач, необходимо организовать связи между обрабатывающими устройствами (процессорными элементами). Характер связей может быть различным, также как и характер взаимодействия процессорных элементов. Все это и определяет различные свойства систем.

Билет№12

Вопрос№1 Архитектура с параллельными процессами. Определение. Схема реализации.

Дисциплина обслуживания приоритетов

-относительная (выбор по наивысшему приоритету, но далее обработка не может быть отложена)

-абсолютная (происходит переход к обработке более приоритетного с откладыванием текущего)

 

В схеме с абсолютными приоритетами заложено маскирование, так как запрещаются запросы с равными или более низкими приоритетами.

В общем случае - возможность маскирования прерываний любого класса и любого приоритета на некоторое время.

 

Упорядочивание работы обработчиков прерываний – механизм приоритетных очередей.

Наличие в ОС программного модуля – диспетчера прерываний.

При возникновении прерывания – вызов диспетчера.

Он блокирует все прерывания на некоторое время, устанавливает причину прерывания, сравнивает назначенный данному источнику прерывания приоритет с текущим приоритетом. В случае если у нового запроса на прерывание приоритет выше чем у текущего, то выполнение текущего приостанавливается и он помещается в соответствующую очередь. Иначе в соответствующую очередь помещается поступивший обработчик.

 

Планирование обработки прерываний в Windows NT

Все источники прерываний делятся на несколько классов, и каждому уровню присваивается уровень запроса прерывания – Interrupt Request Level (IRQL). Этот уровень и представляет приоритет данного класса.

Поступление запроса на прерывание/исключение – вызов диспетчера прерываний, который:

-Запоминает информацию об источнике прерывания

-Анализирует его приоритет

Вопрос№2 Арифметические операции в системах счисления. Привести примеры. Арифметические операции над двоичными числами с плавающей точкой.

Сложение

Вычитание

Умножение

Деление

Операция сложения двоичных чисел с плавающей запятой реализуется последовательностью этапов:

1) сравнение порядков;

2) выравнивание (уравнивание) порядков;

3) сложение мантисс;

4) нормализация результата.

Обязательными из этих этапов являются 1-й и 3-й, а 2-й и 4-й этапы могут быть опущены.

Вопрос№3 Устройства управления с «жесткой логикой». Схема устройства. Определение основных элементов схемы.

Управляющее устройство с «жесткой» логикой управления операционным блоком, то есть реализованное аппаратно, представляет собой так же как и УУ с программируемой логикой, конечный автомат. Для каждой операции, задаваемой, например, кодом операции команды на входе, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы. Иначе говоря, строится конечный автомат, в котором необходимое множество состояний реализуется на запоминающих элементах, а функции переходов и выходов А и В реализуются с помощью комбинационных логических схем.

Билет№12

Вопрос№1 Архитектура с параллельными процессами. Определение. Схема реализации.

Дисциплина обслуживания приоритетов

-относительная (выбор по наивысшему приоритету, но далее обработка не может быть отложена)

-абсолютная (происходит переход к обработке более приоритетного с откладыванием текущего)

 

В схеме с абсолютными приоритетами заложено маскирование, так как запрещаются запросы с равными или более низкими приоритетами.

В общем случае - возможность маскирования прерываний любого класса и любого приоритета на некоторое время.

 

Упорядочивание работы обработчиков прерываний – механизм приоритетных очередей.

Наличие в ОС программного модуля – диспетчера прерываний.

При возникновении прерывания – вызов диспетчера.

Он блокирует все прерывания на некоторое время, устанавливает причину прерывания, сравнивает назначенный данному источнику прерывания приоритет с текущим приоритетом. В случае если у нового запроса на прерывание приоритет выше чем у текущего, то выполнение текущего приостанавливается и он помещается в соответствующую очередь. Иначе в соответствующую очередь помещается поступивший обработчик.

 

Планирование обработки прерываний в Windows NT

Все источники прерываний делятся на несколько классов, и каждому уровню присваивается уровень запроса прерывания – Interrupt Request Level (IRQL). Этот уровень и представляет приоритет данного класса.

Поступление запроса на прерывание/исключение – вызов диспетчера прерываний, который:

-Запоминает информацию об источнике прерывания

-Анализирует его приоритет

Вопрос№2 Арифметические операции в системах счисления. Привести примеры. Арифметические операции над двоичными числами с плавающей точкой.

Сложение

Вычитание

Умножение

Деление

Операция сложения двоичных чисел с плавающей запятой реализуется последовательностью этапов:

1) сравнение порядков;

2) выравнивание (уравнивание) порядков;

3) сложение мантисс;

4) нормализация результата.

Обязательными из этих этапов являются 1-й и 3-й, а 2-й и 4-й этапы могут быть опущены.

Вопрос№3 Устройства управления с «жесткой логикой». Схема устройства. Определение основных элементов схемы.

Управляющее устройство с «жесткой» логикой управления операционным блоком, то есть реализованное аппаратно, представляет собой так же как и УУ с программируемой логикой, конечный автомат. Для каждой операции, задаваемой, например, кодом операции команды на входе, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы. Иначе говоря, строится конечный автомат, в котором необходимое множество состояний реализуется на запоминающих элементах, а функции переходов и выходов А и В реализуются с помощью комбинационных логических схем.

Билет№14

Вопрос№1 Классическая архитектура. Определение. Понятия: Магистраль, контроллер.

1. Классическое построение цифровой ЭВМ сложилось в конце 40-х- - начале 50-х гг. Существенное влияние на него оказали идеи математика Джона фон Неймана, который в 1945 г. в отчёте «Предварительный доклад о машине «Эдвак»» сформулировал основные принципы работы и устройства современных компьютеров.

2. Согласно модели фон Неймана, в состав ЭВМ входят три основных устройства:

3. · арифметико-логическое устройство (АЛУ);

4. · запоминающее устройство (ЗУ);

5. · устройства ввода-вывода;

6. · устройство управления (УУ).

Магистраль процессора - это система сигналов, формируемых и принимаемых процессором по своим внешним выводам.

По системной магистрали возможны три типа обмена:

· МП - Память

· МП - УВВ

· Память - УВВ прямой доступ к памяти

Магистраль процессора.

Цикл магистрали - последовательность сигналов, формируемых МП при взаимодействии с другими элементами МПС.

Циклы магистрали:

· циклы передачи данных

· циклы подтверждения прерываний и специальные циклы

Контроллер — устройство управления в электронике и вычислительной технике.

Вопрос№2 Двоичное кодирование звуковой информации.

Для компьютерной обработки такой – аналоговый – сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел.

Делается это, например, так – измеряется напряжение через равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его – аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Чем выше частота дискретизации и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук, но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.

Вопрос№3 Организация мультипроцессорных и многомашинных систем. Определение.

Многомашинный вычислительный комплекс (ММВК) - комплекс, включающий в себя две или более ЭВМ (каждая из которых имеет процессор, ОЗУ, набор периферийных устройств и работает под управлением собственной операционной системы), связи между которыми обеспечивают выполнение функций, возложенных на комплекс.

Цели, которые ставятся при объединении ЭВМ в комплекс, могут быть различными, и они определяют характер связей между ЭВМ. Чаще всего основной целью создания ММВК является или увеличение производительности, или повышение надежности, или одновременно и то и другое. Однако при достижении одних и тех же целей связи между ЭВМ могут существенно различаться.

Многопроцессорный вычислительный комплекс (МПВК)-это комплекс, включающий в себя два или более процессоров, имеющих общую оперативную память, периферийные устройства и работающих под управлением единой операционной системы (ОС), которая, в свою очередь, осуществляет общее управление техническими и программными средствами комплекса. Следует оговорить, что каждый из процессоров может иметь индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства. Все перечисленное весьма существенно, так как делает возможною гибкую организацию параллельной обработки информации и позволяет наиболее эффективно использовать все ресурсы комплек

Билет 15

 

Внешняя память. Определение. Назначение. Варианты применения.

Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних (относительно материнской платы) запоминающих устройств (ВЗУ) с разными принципами хранения информации.

ВЗУ предназначены для долговременного хранения информации любого вида и характеризуются большим объемом памяти и низким по сравнению с ОЗУ быстродействием.

Под внешней памятью компьютера подразумевают обычно как устройства для чтения / записи информации - накопители, так и устройства, где непосредственно хранится информация - носители информации.

Как правило, для каждого носителя информации существует свой накопитель. А такое устройство как винчестер, совмещает в себе и носитель, и накопитель.

Носителями информации во внешней памяти современных компьютеров являются магнитные и оптические диски, магнитные ленты и некоторые другие.

Основными типами устройств внешней (долговременной) памяти по способу записи являются:

В персональных компьютерах к устройствам внешней памяти относятся:

· Накопители на гибких магнитных дисках, предназначенные для чтения / записи информации на гибкие диски (дискеты);

· Накопители на жестких магнитных дисках, или винчестеры;

· дисководы для работы с лазерными (оптическими) дисками;

· стримеры, предназначенные для чтения / записи информации на магнитные ленты;

· Магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками;

· Устройства энергонезависимой памяти (флэш-память).

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса:

· Устройства прямого (произвольного) доступа.
В устройствах прямого (произвольного) доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе. Например, чтобы прослушать песню, записанную на грампластинке, достаточно установить звукосниматель проигрывателя в место на пластинке, где записана песня.

· Устройства последовательного доступа.
В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует. Например, время доступа к песне на аудиокассете зависит от местоположения записи. Для ее прослушивания необходимо предварительно перемотать кассету до того места, где записана песня.

 

2. Арифметические операции в системах счисления. Привести примеры. Арифметические операции над двоичными числами с фиксированной точкой.

Арифметические операции во всех позиционных системах счисления выполняются по одним и тем же хорошо известным правилам.

 

Правила выполнения арифметических операций в десятичной системе хорошо известны - это сложение, вычитание, умножение столбиком и деление уголком. Эти правила применимы и ко всем другим позиционным системам счисления. Только таблицами сложения и умножения надо пользоваться особыми для каждой системы.

 

Сложение

Если сумма складываемых цифр больше или равна основанию системы счисления, то единица переносится в следующий слева разряд.

 

 

Вычитание

При вычитании из меньшего числа большего производится заем из старшего разряда.

 

 

Умножение

Умножение многоразрядных чисел в различных позиционных системах счисления происходит по обычной схеме, применяемой в десятичной системе счисления, с последовательным умножением множимого на очередную цифру множителя.

 

 

Деление

Операция деления выполняется по алгоритму, подобному алгоритму выполнения операции деления в десятичной системе счисления. Следует только грамотно пользоваться теми цифрами, которые входят в алфавит используемой системы счисления.

 

Обратите внимание!!!

При выполнении любых арифметических операций над числами, представленными в разных системах счисления, следует предварительно перевести их в одну и ту же систему.