Az előadó (Istenes Zoltán) elérhetősége

Bevezetés Furcsa, meghökkento˝ kérdések ˝ Számítógépek fejlodésének a története


˝ Elérhetoségek Tudnivalók a tárgyról

˝ ˝ Az eloadó (Istenes Zoltán) elérhetosége Számítógépek architektúrája ˝ 1. eloadás Istenes Zoltán

Tanszék: ELTE - Informatikai Kar Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék Iroda: ELTE Déli tömb 2.604

Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék

Programtervezo˝ Informatikus BSc - B szakirány 2007 / Budapest

Istenes Zoltán


Számítógépek architektúrája


Tudnivalók a tárgyról

E-mail: [email protected] Honlap: http://quasar.inf.elte.hu Telefon: 2090555 / 8484 Egyéb: tárgyfórum, ETR-kurzusfórum, postaláda, titkárság (2.614)...

Istenes Zoltán




A tárgy "alapgondolatai"

jegyzetek, segédanyagok: http://quasar.inf.elte.hu/ oktatas/szamarch irodalom: Számítógép-architektúrák, Andrew S.Tanenbaum, Panem kiadó, ISBN: 9635452829

˝ áll a világ..." "Nem PC-bol ˝ Általános alapelvek, fogalmak, lehetoségek, nagyságrendek, összehasonlítások, szintek, fizikai megvalósítások, ... mit, miért, hogyan?

kollokvium, követelményrendszer, ˝ kiseloadások

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




A félév témakörei



Magasszintu˝ programozási nyelv - gépi nyelv (kód)

bevezetés, történet, fogalmak, adatábrázolás, globális bemutatás, Neumann architektúra Központi feldolgozó egység (CPU) vezérlo˝ egység, aritmetikai logikai egység, utasítás: készlet, típusok, felépítése, végrehajtás Memória hierarchia, cache, virtuális tárkezelés

Magasszintu˝ nyelv (C) swap (int v[], int k) { int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; }

Assembler nyelvu˝ program swap: muli $2, $5,4 add $2, $4,$2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 0($2) jr $31

Be- és Kimeneti rendszer (IO)

Bináris, gépi kódú program

megszakítás-rendszer, DMA, csatorna, perifériák

00000010110110010001110100011010 11101110010100101000101110000010 11111001000000010100001010000001 11111001000000011000001100000001 00011001000000011000001010000001 Istenes Zoltán Számítógépek architektúrája 00011001000000010100001100000001 00101011100000000000000001111111

többprocesszoros, párhuzamos gépek, hálózatok, egyebek... Istenes Zoltán




Többszintu˝ számítógépek


Fizikai - logikai szintek

"Logikai"

"Fizikai" "A számítógép"

1

problémaorientált nyelvi szint

2

assembly nyelvi szint

3

operációs rendszer gépi szintje

alaplap, processzor, memória, ...

4

utasításrendszer-architektúra szintje

integrált áramkörök

5

mikroarchitektúra szintje

6

digitális logikai szint

˝ tranzisztorok, félvezetok (0-5Volt) elektronok, félvezeto˝ rétegek

Istenes Zoltán



Istenes Zoltán

processzor, memória, sínrendszer, IO logikai áramkörök (összeadó, számláló, ...) logikai kapuk (ÉS, VAGY, NOT, logikai 0-1)




Sok-sok NOP... Mennyi a sebesség különbség?

1 utasítás NOP

3 utasítás NOP NOP NOP

2 utasítás NOP NOP

4 utasítás NOP NOP NOP NOP

Istenes Zoltán

Istenes Zoltán



Módszeres programozás... Meghökkento˝ ciklusok

1/10-ek... Program ciklus; var s:real; begin s:=0; while s<>1 do s:=s+1/10; End.

Istenes Zoltán

oszloponként for j=1 to n for i=1 to m sum=sum+t(i,j)

soronként for i=1 to n for j=1 to m sum=sum+t(i,j)



1/16-ok... Program ciklus; var s:real; begin s:=0; while s<>1 do s:=s+1/16; End.

Tömbösszeadás... Lehet sebességkülönbség?


Számítógépek sebessége

Milyen gyors a leggyorsabb számítógép? Hány szorzást végez másodpercenként? Mennyivel gyorsabb egy otthoni gépnél? Miért gyorsabb? Miért nem gyorsabb? Hogyan lehetne gyorsabb?

Istenes Zoltán




BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution (IBM) Processor type: Processor: Topology/Interconnect: Operating System: Processors: Rpeak (GFlops): Rmax (GFlops):

BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution (IBM)

PowerPC 440 700 MHz (2.8 GFlops) 3D torus CNK/Linux 131072 280600 367000

http://top500.org Flops (Floating Point Operation per Seconds) = ˝ Lebegopontos muvelet ˝ másodpercenként

Istenes Zoltán

Istenes Zoltán





Két gép összehasonlítása

Számológép / számítógép számológép

évszám órajelciklus mártixszorzás

EDVAC 1 1952 2000ns 100/s

CRAY-1 1976 12,5ns 130000000/s

24 év 160x 1300000x

˝ számtani muveletek ˝ Foleg végzésére alkalmas, gyakori, közvetlen emberi beavatkozást igénylo˝ eszköz.

számítógép Utasításlista (program) alapján adatokat manipuláló gép

az órajel növekedése: "technológiai" azonos órajel mellett is 8000x növekedés! a 8000x növekedés: "felépítésbeli" ("architekturális")

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Számítógép-generációk

Összefoglalás, fogalmak

alapgondolatok http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_ computing

témakörök

http://www.computerhistory.org/

fizikai-logikai szintek

http://oprendszer.elte.hu/architekturak/ segedanyag.html

sebesség

nyelvi szintek

számológép / számítógép számítógép-generációk

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


Informatikai alapfogalmak Egyszeru˝ gép Adatábrázolás


Informatika, információ, bit Adat, jel, közlemény Algoritmus, program, hardver, szoftver

Informatika Számítógépek architektúrája ˝ 2. eloadás Istenes Zoltán

Az informatika (kb. information technology) az információk: rögzítésével,



Istenes Zoltán


kezelésével, rendszerezésével, továbbításával foglalkozik.

Istenes Zoltán



Az informatika tevékenységei




Az informatika részei, részterületei

˝ Az informatika a tevékenységét foként számítógépeken végzi: elméleti úton azáltal, hogy módszereket, modelleket, formalizmusokat dolgoz ki a számítógépek készítéséhez és muködtetéséhez; ˝

matematikai alapok

számítás-elmélet

mérnöki tevékenységgel úgy, hogy számítógépeket készít, illetve azokhoz elektronikai eszközöket alkot (hardver);

algoritmusok és adatszerkezetek

számítógépek felépítése

rendszertervezéssel és készítéssel azáltal, hogy a számítógépek muködtet ˝ o˝ eszközeit hozza létre, illetve azokat muködteti ˝ (szoftver);

programozási nyelvek és fordítóprogramok

mesterséges intelligencia

alkalmazza a számítógépet azáltal, hogy különbözo˝ feladatok elvégzésére alkalmassá teszi, pl.: orvosi alkalmazások, kereskedelmi rendszerek, CAD, nyilvántartások, stb).

konkurrens, párhuzamos és elosztott rendszerek

Istenes Zoltán


szoftvertechnológia

adatbázisok

lágy számítástechnika számítógépes grafika

Istenes Zoltán

tudományos számítás




Az információ



Információ-tartalom (self-information)

Információnak nevezünk mindent, amit a rendelkezésünkre álló adatokból nyerünk. Az információ olyan tény, amelynek megismerésekor olyan tudásra teszünk szert, ami addig nem volt a birtokunkban. Az információ minden olyan tény, állítás, hír, amelyeket a beszélo˝ közöl. Ez egy csatornán keresztül eljut a hallgatóhoz. A hallgató számára a hír új jelentéssel bír és ezáltal tájékozottabbá válik.

Istenes Zoltán




A bit fogalma

Az információ-tartalom annak az információnak a mennyisége, ˝ hozzáadódik amelynek a tudása egy bizonyos eseményrol valaki teljes tudásához. Az információ-tartalom mértékegysége a bit. Az információ-tartalom I(An ) ha An esemény bekövetkeztének a valószínusége ˝ p I(An ) = log2 p(A1 n ) = −log2 (p(An )) Példa Az információ tartalma, hogy egy kockával négyest dobunk: 1 I(’négyes’) = log2 1/6 = log2 (6) = 2.585bit

Istenes Zoltán




SI (tizes számrendszer) prefixumok

A bit az információ alapegysége. A bit a kettes számrendszer egy bináris számjegye (binary digit). Például a 10010112 szám 7 bit hosszú. ˝ egy bináris számjegy információ A bit egy méroegység, tartalma. Jele: b A bájt (byte) bitek csoportja. 8 bit = 1 bájt A szó (word) bájtok csoportja, a számítógép kialakításától függ.

Istenes Zoltán


Elnevezés Jele Értéke kilo k 103 mega M 106 giga G 109 tera T 1012 peta P 1015 exa E 1018 103 = 1000 6= 210 = 1024

Gyakori de hibás értelmezés 210 220 230 240 250 260

Példa 1 kB (kilobájt) = 1000 bájt (SI szabvány szerint), de nagyon gyakran 1024 bájtot értenek alatta

Istenes Zoltán




Kettes számrendszerben használatos prefixumok Elnevezés Jele Értéke kibi Ki 210 = 1 024 mebi Mi 220 = 1 048 576 gibi Gi 230 = 1 073 741 824 tebi Ti 240 = 1 099 511 627 776 pebi Pi 250 = 1 125 899 906 842 624 exbi Ei 260 = 1 152 921 504 606 846 976 IEC 60027-2 Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (International Electrotechnical Commission; IEC) 1998.



Az adat fogalma

Az adat egy objektum egy meghatározott változójának az értéke. Egy konkrét adat tehát akkor tekintheto˝ definiáltnak, ha meghatározzuk, hogy milyen objektum, melyik változója, milyen értéket vesz fel. Példa Az Eiffel torony magassága 300 méter

Példa 1 kb (kilobit) = 1000 bit viszont 1 Kib ("kibibit") = 1024 bit 1 MB = 1000000 bájt viszont 1 MiB ("mebibájt") = 1048576 bájt

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



Az adat fogalma




A jel fogalma

Az adatoknak önmagukban nincs jelentésük. Az adat fogalma jól elkülönítheto˝ két másik rokonértelmu˝ ˝ és az információtól: fogalomtól az ismerettol Az ismeret valamilyen objektummal kapcsolatos tapasztalataink, általánosításaink és fogalmaink összessége. Az információ olyan adat vagy ismeret, amely viselkedésünket befolyásolni képes.

Istenes Zoltán


Az információ-elméletben egy jel a kommunikációs csatorna állapotainak egy sorozata, amelyet üzenetté lehet dekódolni. Egy kommunikációs rendszerben, egy küldo˝ kódol egy üzenetet jelekké, amelyet a kommunikációs csatorna ˝ segítségével a vevonek el lehet juttatni. Példa A küldo˝ szavakat mond a telefon mikrofonjába. A telefon a hangokat elektromos feszültségu˝ jelekké alakítja. A telefon az elektromos jeleket telefonhálózat segítségével a vevo˝ telefonjába továbbítja, ahol az visszaalakul hanggá. A vevo˝ hallja a szavakat.

Istenes Zoltán






˝ digitális jel Analóg jelbol

Analóg és digitális jelek

kvantálás, diszkretizálás, mintavételezés

Két fo˝ jeltípus: analóg jel: jelparamétere folytonos ˝ (valós életbeli folyamatok, pld.: homérséklet, nyomás, ...) ˝ digitális jel: diszkrét és kvantált jellemzokkel bír (digitális számítógéppel feldolgozható) Analóg-digitális átalakítás / Digitális-analóg átalakítás

Istenes Zoltán




Az algoritmus fogalma




Elemi, megengedett lépések

Az algoritmus vagy eljárás olyan módszer, utasítás(sorozat), részletes útmutatás vagy recept, amely valamely felmerült probléma megoldására alkalmas. "végesség" (az algoritmus véges számú lépés után leáll) "meghatározottság" (mindegyik lépés pontosan, egyértelmuen ˝ van meghatározva) ˝ bemenet (megadott halmaz elemeibol) kimenet (meghatározott kapcsolatban áll a bemenettel) ˝ belül, papírral hatékonyság (egy lépést, véges idon ceruzával is végre lehet hajtani)

Istenes Zoltán

Istenes Zoltán


˝ függnek az elemi lépések az adott szinttol az elemi lépések egy nyelv utasításai egy nyelv meghatározott elemi (megengedett) utasításokkal rendelkezik egy magasabb szintu˝ nyelv egy utasítását, egy alacsonyabb szintu˝ nyelv több utasítására lehet lefordítani egy magasabb szintu˝ nyelv egy utasítását, egy alacsonyabb szintu˝ program értelmezheti

Istenes Zoltán




Számítógép program



Hardver - szoftver - firmware

A legtöbb számítógép program procedurális vagy deklaratív program.

hardver (hardware)

szoftver (software)

a számítógép fizikai része

procedurális program(ozás) (imperativ program)

program ami segítségével a számítógép megadott feladatokat hajt végre

például: digitális áramkörök

utasítások listája, amelyek egyértelmuen ˝ (explicit) megvalósítanak (implementálnak) egy algoritmust

például: operációs rendszer

ritkán változik

gyakran változik

deklaratív program(ozás) ˝ listája, amelyek meghatározzák a kimenetet, melyet jellemzok egy algortimus határoz meg

firmware hardvereszközbe épített szoftvertípus biztosítja a hardver muködését ˝ és alapveto˝ funkcióit

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



Egyszeru˝ gép... - vázlatosan



egyszeru˝ gép - muveletvégz ˝ o˝

egyszeru˝ gép - programmemória

P

op a b

4 1 2

M

4

op a b

M - muveletvégz ˝ o˝ 1 - muvelet ˝ (op) 2,3 - adat értéke (a,b) 4 - eredmény értéke

3

1

M

2

P - programmemória M - muveletvégz ˝ o˝ 1 - muvelet ˝ 2,3 - adat értéke 4 - eredmény értéke

3

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





egyszeru˝ gép - adatmemória


egyszeru˝ gép - eredmény visszaírása

P 6

op x y 1

A

2

M

4

a

3

P - programmemória A - adatmemória M - muveletvégz ˝ o˝ 1 - muvelet ˝ 2,3 - adat címe 4,5 - adat értéke 6 - eredmény értéke

5

b

P

1

M

4

a

5

b

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán






egyszeru˝ gép

8

8

P 6

op x y q 1

3

A

2 3

egyszeru˝ gép - következo˝ utasítás címe

2

P - programmemória A - adatmemória M - muveletvégz ˝ o˝ 1 - muvelet ˝ 2,3 - adat címe 4,5 - adat értéke 6 - eredmény értéke

6

op x y

A a b

4 5

Istenes Zoltán

M

P - programmemória A - adatmemória M - muveletvégz ˝ o˝ 1 - muvelet ˝ 2,3 - adat címe 4,5 - adat értéke 6 - eredmény értéke 8 - következo˝ cím


C

P op x y q

6

7 1 2 3

A a b

4 5

Istenes Zoltán

M

P - programmemória A - adatmemória M - muveletvégz ˝ o˝ C - címkiszámító 1 - muvelet ˝ 2,3 - adat címe 4,5 - adat értéke 6 - eredmény értéke 7 - következo˝ 8 - következo˝ cím



Egészek ábrázolása ˝ Lebegopontos számok ábrázolása Betuk, ˝ jelek ábrázolása

Adatábrázolás, kettes számrendszer



számolás véges pontosságú számokkal véges és fix pontosságú számok

Adatábrázolás kritériumai: hatékony tárolás

véges pontosságú számok (finite precision numbers) zárt (closure): "halmazon belül marad" túlcsordulás (overflow) , alulcsordulás (underflow) "másféle" szám

˝ egyértelmuség ˝ (könnyen értelmezheto) egyszeru, ˝ gyors muveletvégzés ˝ ˝ A kettes számrendszer elonyei: technikai okok: legjobban megkülönböztetheto˝ állapotok elvi, matematikai okok: "tömörség" hány darab számjegy (d), hány féle számjegy (f) ; x = f d

Istenes Zoltán



Istenes Zoltán


számrendszer alapszáma (radix) legfontosabb alapszámok: 10 (tizes), 2 (bináris), 16 (hexadecimális) dn ...d2 d1P d0 .d−1 d−2 ...d−k szám = ni=−k di × 10i A k alapú számrendszerhez k számjegy (szimbólum): tizes: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 bináris: 0 1 hexadecimális: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F Példa 2006 = 2 × 103 + 0 × 102 + 0 × 101 + 6 × 100 = 2000 + 0 + 0 +6 2006 = 1 × 210 + 1 × 29 + 1 × 28 + 1 × 27 + 1 × 26 + 0 × 25 + 1 × 24 + 0 × 23 + 1 × 22 + 1 × 21 + 0 × 20 = 1024 + 512 + 256 + 128 + 64 + 0 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 111110101102 2006 = 7 × 162 + 13 × 161 + 6 × 160 = 1792 + 208 + 6 = 7D616 Istenes Zoltán

Példa Az egész számok halmazára az összeadás, szorzás, kivonás muvelete ˝ zárt, az osztás nem. A természetes számok halmazára az összeadás, szorzás muvelete ˝ zárt, a kivonás és az osztás nem. A véges pontosságú számok halmazára az összeadás, szorzás, kivonás, osztás muvelete ˝ nem zárt.





Negatív bináris számok ˝ elojeles nagyság (signed magnitude) egyes komplemens (ons’s complement) kettes komplemens (two’s complement) 2m−1 többletes (excess 2m−1 ) Példa dec. 5 -5 100 -100

˝ elojeles 00000101 10000101 01100100 11100100

1-es komp. 00000101 11111010 01100100 10011011

2-es komp. 00000101 11111011 01100100 10011100

128 többlet. 10000101 01111011 11100100 00011100

fixpontos számábrázolás... Istenes Zoltán




˝ lebegopontos számok



IEEE 754 szabvány

Tudományos jelölés n = f × 10e ˝ n lebegopontos szám (floating point) f törtrész (fraction) vagy mantissza (mantissa) e egész szám, kitevo˝ vagy exponens (exponent) Példa háromjegyu˝ törtszám 0,1 ≤ | f | < 1 vagy 0, exponens kétjegyu˝ ..−0, 999 × 1099 ..−0, 100 × 10−99 ..0..0, 100 × 10−99 ..0, 999 × 1099 ..

Istenes Zoltán




IEEE 754 szabvány szám példa (1)

˝ bit: 0 ; s = +1 elojel exponens: 011111002 = 124 ; e = 124-127 = -3 mantissza: 01 ; m = 1, 012 v = s × m × 2e v = + 1, 012 × 2−3 = +1,25 / 8 = +0,15625

Istenes Zoltán


A szám értéke v: v = s × m × 2e ahol ˝ bit 0 s = +1 (pozitív szám) alol az elojel ˝ bit 1 s = -1 (negatív szám) ahol az elojel e = exponent - 127 (a 127 többletes ábrázolás miatt) m = 1.mantissa binárisan (1 ≤ m < 2), egyesekre normalizált forma

Istenes Zoltán




IEEE 754 szabvány szám példa (2)

v = -118,625 = −1 × 1110110.1012 = 1.110110101 × 26 -1 negatív szám: s = 1 m = 1.110110101 = 1.mantissza ; mantissza = 110110101 e = 6 ; exponens = 6 + 127 = 133 = 100001012

Istenes Zoltán




IEEE 754 számok



BCD, Grey, hexadecimális

Jellemzo˝ Egyszeres pontosság Dupla pontosság Szám hosszúság 32 bit 64 bit ˝ Elojel 1 bit 1 bit Kitevo˝ (exponens) 8 bit 11 bit Törtrész (mantissza) 23 bit 52 bit Kitevo˝ ábrázolása 127 többletes 1023 többletes Kiterjedés kb. 10−38 − 1038 kb. 10−308 − 10308 Típus Exponens Mantissza Nulla 0 0 Denormalizált szám 0 nem nulla Normalizált szám 1 to 2e − 2 bármi e 2 −1 0 Végtelen Nem szám (NaNs) 2e − 1 nem nulla Istenes Zoltán


BCD (Binary Coded Decimal) 1 9 7 310 : 0001 1001 0111 0011BDC Grey kód - csak egy bit változik 0000, 0001, 0011, 0010, 0110, 0111, 0101, 0100, ... Hexadecimális 10710 = 0110 10112 = 6 B16



Istenes Zoltán




Összefoglalás, fogalmak ASCII (American Standard Code for Information Interchange): 7 bites, 32-126 kódú nyomtatható karakterek, például 32 = ’ ’ (szóköz), 48 = ’0’, 65 = ’A’, 97=’a’ UTF-8 (8-bit Unicode Transformation Format): változó hossz (1-4 bájt), 1 bájt ASCII, 2 bájt ékezetes betuk ˝ ISO 8859: különféle nemzeti kódtáblák (ISO 8859-2 a magyar)

informatikai alapfogalmak, informatika, információ, bit, adat, jel algoritmus, elemi, megengedett lépések hardver, szoftver

EBCDIC: IBM nagygépeken

egyszeru˝ gép Egyéb "ábrázolandók"

adatábrázolás

képek, filmek, zenék ... gondolatok, érzések, illatok ... ... Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




1/3 = 0.3333333333... 1/1610 = 0, 00012 1/1010 = 0, 000 1100 1100 1100 1100...2

Istenes Zoltán


Központi feldolgozó egység Utasítás Példák



1

Központi feldolgozó egység Egyszeru˝ gép - részletesen Neumann architektúra Központi feldolgozó egység és memória

2

Utasítás Utasításciklus Utasítástípusok, utasításkészlet Címzési módok

3

Példák MIPS 3000 utasítás - példa Eltéro˝ címzésu˝ gépek programozása

˝ 3. eloadás Istenes Zoltán Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék


Istenes Zoltán


Egyszeru˝ gép - részletesen Neumann architektúra Központi feldolgozó egység és memória

Egyszeru˝ gép 8

P 6

7 1 2 3




Egyszeru˝ gép - módosítások

C

op x y q

Istenes Zoltán


A a b

4 5

Istenes Zoltán

M

P - programmemória A - adatmemória M - muveletvégz ˝ o˝ C - címkiszámító 1 - muvelet ˝ 2,3 - adat címe 4,5 - adat értéke 6 - eredmény értéke 7 - következo˝ 8 - következo˝ cím


programmemória és adatmemória összevonása memória és a központi feldolgozó egység (Central Processing Unit - CPU) különválasztása: muveletvégz ˝ o˝ egység, aritmetikai logikai egység (Arithmetical Logical Unit - ALU) vezérlo˝ egység (Control Unit - CU) címkiszámító egység

a memóriát és a központi feldolgozó egységet sínek kötik össze adatsín címsín ˝ vezérlosín

Istenes Zoltán






Neumann architektúra

Regiszterek

Neumann elv: soros utasításvégrehajtás (az ˝ utasítások végrehajtása idoben egymás után történik) memória - központi feldolgozó egység sebességkülönbség

kettes (bináris) számrendszer használata

utasítástároló regiszter (Instruction Register - IR) utasításszámláló regiszter (Program Counter - PC)

belso˝ memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására

adatregiszterek

teljesen elektronikus muködés ˝ széles köru˝ felhasználhatóság, alkalmasság bármilyen adatfeldolgozási feladatra Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Memória - CPU - sinek blokk diagramm



CPU blokk diagramm

címsín CPU

utasításszámláló reg. vezérlö” egység ALU dekódoló Memória utasítástároló reg.

regiszterek

adatsín

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



Utasításciklus Utasítástípusok, utasításkészlet Címzési módok

Utasításciklus (instruction cycle, fetch-execute cycle)



Utasításciklus - utasításelérés

elérés (fetch): minden utasításra azonos 1

utasítás elérése a memóriából

címsín CPU utasításszámláló reg.

programszámláló (program counter, PC) utasítástároló regiszter (instruction register, IR) 2

vezérlö” egység

utasítás dekódolása

ALU

végrehajtás (execute): utasításonként változó 3 4

dekódoló Memória

operandus(ok) beolvasása a memóriából utasítás végrehajtása vezérlo˝ egység, adatút, regiszterek aritmetikai-logikai egység (arithmetic logic unit, ALU)

5

regiszterek

utasítástároló reg. adatsín

a muvelet ˝ eredményének az eltárolása a következo˝ utasítás címének a kiszámítása Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



Utasításciklus - utasítás-dekódolás




Utasításciklus - operandusok elérése

címsín


CPU utasításszámláló reg.


vezérlö” egység ALU

ALU

dekódoló Memória utasítástároló reg.

dekódoló regiszterek

adatsín

Memória utasítástároló reg.

regiszterek

adatsín

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Utasításciklus - muveletvégzés ˝



Utasításciklus - erdemény eltárolása

címsín


CPU utasításszámláló reg.


vezérlö” egység ALU

ALU

dekódoló Memória utasítástároló reg.

dekódoló regiszterek

adatsín

Memória utasítástároló reg.

regiszterek

adatsín

Istenes Zoltán




utasítástípusok

Istenes Zoltán




Egy utasítás felépítése

˝ adatátvitel a számítógép funkcionális részei adat-tölto, között aritmetikai, logikai muveletek ˝ végzése adatokkal ˝ vezérlésátadás a program egyik részérol ˝ programvezérlo, egy másik részére

muveleti ˝ kód módosításra utaló rész címrész

˝ hatékony muködést speciális, rendszervezérlo, ˝ segíto˝ I/O, adatátvitel a számítógép és a környezete között

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




4 címes utasításforma

muveleti ˝ kód

1. adat címe

2. adat címe




eredmény címe

következo˝ utasítás címe muveleti ˝ kód

Példa 256 különféle utasítás - 8 bites muveleti ˝ kód

1. adat címe

2. adat címe

eredmény címe

utasításszámláló regiszter használata

16MiB memória - 24 bites címek utasításhossz - 1 + 4×3bájt = 13 bájt

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





1. adat címe

2. adat címe (eredmény címe)

"eredmény címe = 2. adat címe" használata

Istenes Zoltán



muveleti ˝ kód muveleti ˝ kód



adat címe

muvelet ˝ csak 1 adaton (például: növelés 1-el) akkumulátor regiszter (Accumulator register): ˝ a 2. adat az akkumulátor regiszterbol eredmény az akkumulátor regiszterbe

Istenes Zoltán





muvelet ˝ az akkumulátor regiszteren (például: növelés 1-el)



jelölések

muveleti ˝ kód

Istenes Zoltán


S: tárcím

(S): adat a tárban

R: regisztercím

(R): adat a regiszterben

A: akkumulátor regiszter

(A): adat az akkumulátor regiszterben

I: közvetlen adat az utasításban MK: muveleti ˝ kód

LI(n): az n. utasítás hossza

˝ @: tetszoleges muvelet ˝

SI(n): az n. utasítás címe


Istenes Zoltán





Címértelmezés és címmegadás 4 cím

MK S1 S2 S3 S4

3 cím

MK S1 S2 S3

2 cím 1 cím 0 cím 1 R cím

MK S1 S2 MK S1 MK MK R

1+R cím

MK R S

2 R cím 3 R cím közvetlen operandus

MK R1 R2 MK R1 R2 R3 MK I S vagy MK I

Istenes Zoltán

(S1) @ (S2) -> (S3) SI(n+1) = S4 (S1) @ (S2) -> (S3) SI(n+1) = SI(n) + LI(n) (S1) @ (S2) -> (S2) (S1) @ (A) -> (A) @ (A) -> (A) @ (R) -> (R) (R) @ (S) -> (R) vagy (R) @ (S) -> (S) (R1) @ (R2) -> (R1) (R1) @ (R2) -> (R3) I @ (S) -> (S) vagy @ I -> (A)


címértelmezés közvetlen (immediat) adatmegadás közvetett (inherent), implicit címzés közvetlen (direkt) címzés közvetett (indirekt) címzés

MK I MK MK S MK S

@I @ (A) @ (S) @ ((S))

címmegadás abszolút címmegadás rövidített címmegadás

MK S MK s

Istenes Zoltán

@ (S) @ (s+bázis cím)




Utasítások kódolása - példa

3 címes címzés: 3×3 > 8 : lehetetlen 2 címes címzés: 8 - 2×3 = 2 : 4 féle utasítás 1 címes címzés: 8 - 3 = 5 : 32 féle utasítás 0 címes címzés: 8 bit : 256 féle utasítás



Utasítások kódolása

Példa 8 bites utasításhossz, 3 bites címhossz:

Istenes Zoltán



MIPS 3000 utasítás - példa Eltéro˝ címzésu˝ gépek programozása

Utasításkészlet - MIPS 3000 (1988)

muv. ˝ kód 2 bit 00 01 10 11

1. cím 3 bit xxx xxx xxx xxx

2. cím 3 bit yyy yyy yyy yyy

Istenes Zoltán


muv. ˝ kód 2 bit 00 01 10 11 11 11 11 11 11 11 11

1. cím 3 bit xxx xxx xxx 000 001 010 011 100 101 110 111

2. cím 3 bit yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy



Eltéro˝ címzésu˝ módú gépek programozása példa Adott 4 különféle típusú gép:

Regiszterek (32 bites): $0 .. $31

0 címes gép (verem), pld.: ADD, PUSH (M), POP (M) Formátumok: Típus R I J

opcode(6) opcode(6) opcode(6)

Formátum(bitek) rs(5) rt(5) rd(5) shamt(5) funct(6) rs(5) rt(5) immediate(16) address(26)

Példák: Típus R I I I I J

Szintaxis add $1,$2,$3 addi $1,$2,CONST lw $1,CONST($2) sll $1,$2,CONST beq $1,$2,CONST j CONST

Szemantika (magyarázat) $1=$2+$3 (regiszter összeadás) $1=$2+CONST (regiszterhez konstans) $1= Mem[$2+CONST] (szó betöltés) $1=$2 < < CONST (bit eltolás ×2CONST ) if ($1=$2) goto PC+4+CONST (ugrás ha) goto CONST (feltétlen ugrás)

Istenes Zoltán


1 címes gép, pld.: ADD M = ACC <- (ACC) + (M) 2 címes gép, pld.: ADD X,Y = X <- (X) + (Y) 3 címes gép, pld.: ADD X,Y,Z = Z <- (X) + (Y) Muveletek: ˝ MOV, ADD, SUB, DIV, MUL, (LDA,STA) Kiszámolandó: Z:= ((A+B)*C)/((D-E)*F) Adatok: M - 20 bites memóriacím X,Y,Z - 20 bites memória, vagy 3 bites regisztercím a muveleti ˝ kód rész hossza 8 bit Kérdés mindegyik géptípusra (programra): utasítások száma, program mérete (bit-ben), felhasznált regiszterek száma Istenes Zoltán




Példa eltéro˝ címzésu˝ módú gépek programozására



2 címes gép: Z=A+B

0 címes gép: Z=A+B PUSH A PUSH B ADD POP Z 3 utasítás


8+20 8+20 8 8+20 92 bit

MOV R0 A MOV R1 B ADD R1 R2 MOV Z R1 4 utasítás

8+3+20 8+3+20 8+3+3 8+20+3 107 bit

központi feldolgozó egység egyszeru˝ gép Neumann architektúra utasításciklus utasítástípusok

1 címes gép: Z=A+B LDA A ADD B STA Z 3 utasítás

3 címes gép: Z=A+B

8+20 8+20 8+20 84 bit

ADD Z A B 1 utasítás

Istenes Zoltán


8+20+20+20 68 bit

utasításkészlet címzési módok

Istenes Zoltán


Logikai kapcsolások Vezérlo˝ egység megvalósítása


Számítógépek architektúrája ˝ 4. eloadás

1

Logikai kapcsolások Elemi logikai kapuk Egyszeru˝ logikai kapcsolások Összeadók

2

Vezérlo˝ egység megvalósítása "Ütemezés", "kapuzás" Huzalozott vezérlo˝ Mikroprogramozott vezérlo˝

Istenes Zoltán Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék


Istenes Zoltán

Istenes Zoltán


Elemi logikai kapuk Egyszeru˝ logikai kapcsolások Összeadók


x 0 0 1 1

y 0 1 0 1

z 0 0 0 1

VAGY (OR) x 0 0 1 1

y 0 1 0 1

z 0 1 1 1

NEM-ÉS, NEM-VAGY, KIZÁRÓ-VAGY logikai kapuk

NEM (NOT) x 0 1

x x y

z

x

z 1 0

NEM-ÉS (NAND) x 0 0 1 1

y Számítógépek architektúrája

y 0 1 0 1

NEM-VAGY (NOR) x 0 0 1 1

z 1 1 1 0

y 0 1 0 1

z 1 0 0 0

kizáró vagy (XOR) x 0 0 1 1

y 0 1 0 1

z 0 1 1 0

z x

z

y Istenes Zoltán



ÉS, VAGY, NEM logikai kapuk

ÉS (AND)


z

x y Istenes Zoltán

z

x y


z



Multiplexer

4x2 bemenetu˝ és 4 bemenetu˝ multiplexer d0

x3 y3

multiplexer s 0 0 0 0 1 1 1 1

d0 0 0 1 1 0 0 1 1



d1 0 1 0 1 0 1 0 1

z

z 0 0 1 1 0 1 0 1

d1 s d0 MUX d1 s

Istenes Zoltán


MUX

x2 y2

MUX

x1 y1 z s 0 1

MUX

x0 y0

z d0 d1

MUX

z3 z2

d0 d1

s0

z0

s 0 1


4 bites AND/XOR muvelet ˝ (logikai egység)

MUX

z1

Istenes Zoltán


MUX

d2 d3

s


MUX

z x y

s1 s0 0 0 1 1

s1 0 1 0 1



Összeadás

x3 y3

MUX

z3

x2

Reprezentáció?!

y2

MUX

z2

x1 y1

MUX

z1

s 0 1

z x AND y x XOR y

0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=...

x0 y0

MUX

z0

s Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


z d0 d2 d1 d3

z




Félösszeadó

Többbites számok összeadása x

s

félösszeadó x 0 0 1 1

y 0 1 0 1

c 0 0 0 1

y

s 0 1 1 0

c



Istenes Zoltán



1 bites teljes összeadó

cin 0 1 0 1 0 1 0 1

cout 0 0 0 1 0 1 1 1

x y s 0 1 1 0 1 0 0 1

fix pontosság...

1/2+

y

Istenes Zoltán

y 0 0 1 1 0 0 1 1

átvitel (carry)

s

x

teljes összeadó

1100 1011 +0110 10001

1000 +0110 1110

c

s = sum = összeg c = carry = átvitel

x 0 0 0 0 1 1 1 1


1/2+ 1/2+

s

y3 x3

cout

1+

cin3

y2 x2

cin2

1+

cin1

cout2

1+

s

cout3

cout

terjedo˝ átvitel (ripple carry)

1+


y1 x1

y0 x0 c0

c

cin = carry in = bemeneti átvitel cout = carry out = kimeneti átvitel

Istenes Zoltán


4 bites összeadó

cin x y cin


s3

s2

cout1

1+ s1

cout0

s=x+y

Istenes Zoltán


s0




Kivonás kettes komplemensel 5 +2 7


4 bites összeadó-kivonó kapcsolás x3 x2 x1 x0 y3

0101 +0010 0111

MUX 2 -2 -2

0010 1101 1110

z3 z2 z1 z0

y2

bináris egyes komplemens kettes komplemens

MUX

s 0 1

y1

z x+y x-y

MUX 5 +-2 3

0101 +1110 10011

y0 MUX

kivonás helyett, negált összeadás túlcsordulás (overflow)

cin

cout

s Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




4 bites aritmetikai-logikai kapcsolás x aritmetikai (+/-)

y0..3

4 4x2 MUX

s0 s0 0 0 1 1

s1 0 1 0 1

s

z1

z0..3

s

kapuzó áramkör

4 s1

z x+y x AND y x-y x XOR y Istenes Zoltán

z0

z

4

4 logikai (and/xor)

"Ütemezés", "kapuzás" Huzalozott vezérlo˝ Mikroprogramozott vezérlo˝

x

4

x0..3



x s z 0 0 hi-Z 0 1 0 1 0 hi-Z 1 1 1 hi-Z = high impedance

demultiplexer x 0 0 1 1

Istenes Zoltán

s 0 1 0 1

z0 0 0 1 0

z1 0 0 0 1




Kapuzás

Kapuzás összehasonlítás k1

1

utasításelérés: 0,1,2,3

2

dekódolás: 4

3

operandusok beolvasása: 5,1,2,6

4

muveletvégzés: ˝ 7,8,9

5

k10

k1

ALU ACC

Vez/Dek k8

k7


PC

counter

k10

mk op

k11

k3

ALU

k5

k8

PC

mk op k6


k0

k4

TMP

k2

k11

k3

Vez/Dek

Istenes Zoltán


mk op

k9

ACC

MEM


Huzalozott vezérlo˝ egység clock

k1

PC

k4

TMP

k7

k6 Istenes Zoltán

k8 k6

k4

TMP

k2

k0

k0

Vez/Dek

k2

k5

k9

k10

ALU ACC

MEM

k5

k9 k7

˝ 10,11 eredmény tárolása, következo:

MEM



k3



Mikroprogramozott vezérlo˝ egység

DEMUX k0 DEMUX

DEMUX

1


k1

mk

2

dekódolás: 4

3


k2 k3 k4 4

1 2 3 4 5 Istenes Zoltán

...

mikroprogramtár ............ 111100000000 000010000000 011001100000 000000011100 000000000011 ............ mikroutasítás vezérlo˝ jelek

1


2

dekódolás: 4

3


4

muveletvégzés: ˝ 7,8,9

5

eredmény tárolása, ˝ 10,11 következo:

k5


Istenes Zoltán





elemi logikai kapuk egyszeru˝ logikai kapcsolások, multiplexer, demultiplexer összeadás, félösszeadó, teljes összeadó, többbites összeadó "kapuzás" vezérlo˝ egység huzalozott vezérlo˝ mikroprogramozott vezérlo˝

Istenes Zoltán


Muveletvégzés ˝ gyorsítása Gyorsítótár ˝ Csovezeték-feldolgozó



1

Muveletvégzés ˝ gyorsítása

Istenes Zoltán

2

Gyorsítótár Motiváció Megvalósítás

3

˝ Csovezeték-feldolgozó Pipeline muködés ˝ CISC / RISC



Istenes Zoltán



Istenes Zoltán



˝ távolság Órajelfrekvencia, ido,

Gyorsabb számítógép? Órajel-frekvencia Adatsín . . . (sávszélesség, átvitel) Memória gyorsítása (memória hierarchia) Párhuzamosítás utasítás Több processzor Több regiszter (gyors memória hozzáférés) Kevesebb utasításból 1 utasításhoz kevesebb órajelciklus

1 „normál” kapu kapcsolási ido˝ ≈ 10ns Példa 2400 MHz-es órajel ˝ 1/(2400 × 106 )s ≈ 0.4ns két órajel közötti ido: "fénysebesség": ≈ 300000km/s mekkora utat tesz meg a fény két órajel között: (300000 × 103 m/s) × (1/(2400 × 106 s)) ≈ 0.125m

Muveletvégzés ˝ (ALU) gyorsítása ...

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




˝ 4bites átvitel-elorelátás ("carry lookahead")

4 bites összeadó y3 x3

cin3

y2 x2

1+ cout3

cin2

1+ s3

cout2

y1 x1

cin1

y0 x0 c0

1+ s2

cout1

1+ s1

cout0

s0

terjedo˝ átvitel (ripple carry) 4 × 3 kapu késleltetés x

s

y c x cin

s

y c cout Istenes Zoltán


Átvitel kiszámítás Ci+1= (Xi AND Yi) OR (Xi AND Ci) OR (Yi AND Ci) Ci+1=(Xi * Yi) + (Xi * Ci) + (Yi * Ci) Ci+1=(Xi * Yi) + ((Xi + Yi ) * Ci) Gi = generate = Xi *Yi Pi = propagate =Xi + Yi Ci+1=Gi+Pi*Ci C1=G0+P0*C0 C2=G1+P1*C1=G1+P1*G0+P1*P0*C0 C3=G2+P2*C2=G2+P2*G1+P2*P1*G0+P2*P1*P0*C0 C4=G3+P3*C3= =G3+P3*G2+P3*P2*G1+P3*P2*P1*G0+P3*P2*P1*P0*C0 C4 független C1..C3-tól, csak X1..4 , Y1..4 és C0-tól függ


Istenes Zoltán


Motiváció Megvalósítás

Processzor - memória sebesség különbség



Memória olvasása gyorsítótár nélkül

1 CPU

Memória

2 memória olvasás, gyorsítótár nélkül 1

memória megcímzése

2

memóriából adat kiolvasása

Az integrált áramkörök összetettsége ("sebessége") 18 hónaponként megduplázódik (Moore törvénye). 1986-2000 CPU sebesség: +55%/év , memória: +10%/év Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





Gyorsítótár sikeres olvasása


Gyorsítótár sikertelen olvasása 2 1 Cache

Memória

gyorsítótár olvasáskor az adat megtalálható (cache hit) 1

cache megcímzése, adat a cache-ban

2

cache-ból adat kiolvasása

Istenes Zoltán



CPU

3

4

gyorsítótár olvasásakor az adat nem található meg (cache miss) 1

cache megcímzése, adat nincs a cache-ban

2

memória megcímzése

3

memóriából adat kiolvasása, adat beírása a cache-ba

4

adat elküldése a CPU-nak

Istenes Zoltán


Gyorsítótár írása írásáteresztés (write-through)

Cache

Memória

CPU 2

1




Kérdések, fogalmak a cache-sel kapcsolatban késleltetett írású (write-back) cache írásakor bejegyzés a módosult blokkban (piszkos bit dirty bit), a memória nem változik cache törlésekor

cache írásakor a memóriába is bekerül az új érték "lassú de biztos"

ha korábban módosult a blokk akkor a memóriában is módosítani kell ha nem, akkor a memóriát nem kell módosítani

cache - memória koherencia ˝ (megegyezoség)

"felesleges" memóriaírásoktól mentes Istenes Zoltán


találati arány (h) cacheelérés (tc ), memóriaelérés (tm ), átlagos ido˝ (ta ) ta = h × tc + (1 − h) × (tc + tm ) ta = h × tc + (1 − h) × tm

miért muködik ˝ h = 1/1000, tc = 1ns, tm = 20ns ta = 0.001 × 1 + .999 × 21 = 1 + 20.979 = 21.979ns programok helyi lokalitása ˝ programok idobeli lokalitása blokkos adatátvitel

memória leképzése a cache-re teljesen asszociatív közvetlen leképzés halmazasszociatív

teli cache esetén? Istenes Zoltán





Memória teljesen asszociatív leképzése cache-re


Memória teljesen asszociatív leképzése cache-re

0 cimke

0

i

j

M=1000 N=10

0

cimke i

0

x

i

j

x k

i

x

m

k

i=756

0

x

8 9

N-1

N-1 m

cimke

M-1

0 i

756

x

m-n

k

999

k

M-1

x

k

k

Istenes Zoltán



Istenes Zoltán




Memória közvetlen leképzése cache-re


Memória közvetlen leképzése cache-re 0 cimke

0

0 i MOD N N-1

cimke 0 i MOD N N-1

i i DIV N

x

x k

x

m-n

k

M=1000 N=10 cimke

m-n

i i DIV N

M-1

i=756

0

k

6 9

M-1

x

m-n

k

k M=10000000000 N=1000 i=1110101110

0

cimke i

75

x

x

000 110 111

999

i 1110101

x

m-n

k

k Istenes Zoltán


Istenes Zoltán

x

k Számítógépek architektúrája




Teljesen asszociatív leképzés

Istenes Zoltán


Közvetlen leképzés, halmazasszociatív leképzés


Istenes Zoltán


Pipeline muködés ˝ CISC / RISC

decode fetch

1 1

3

2

1

3

2 3

2

decode fetch

3

2

1

result execute operands

3

2

1



˝ Csovezeték-feldolgozás

Soros utasítás-feldolgozás result execute operands


˝ csovezeték követelmények részfázisokra bontás ˝ független részfázisok, önálló eroforrások egyik fázis eredménye a következo˝ induló adata

1 1 2 1 2 3 1 2 3 4

1 2 3 4 5

2 3 4 5 6

3 4 5 6 7

4 5 6 7 5 6 7 6 7 7 ...

t ˝ csovezeték muködése ˝ ha egy utasítás (1) egy feldolgozási fázisa (fetch) ˝ befejezodik, ˝ az utasítás (1) egy következo˝ fázisa elkezdodik (decode) ˝ a következo˝ utasítás (2) feldolgozása (fetch) elkezdodik

˝ egy idoben több részfázis muködik ˝ ˝ egy idoben több utasítás dolgozódik fel

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


t




˝ Csovezeték-feldolgozás, ugróutasítás esetén result execute operands decode fetch

1 1 2 1 2 3 1 2 3 4

8 9 1 8 9 2 3 8 9 8 9 4 5 8 9 ...


˝ Csovezeték-feldolgozó problémák és megoldások problémák... ˝ (fázisok) számának a növelése lépcsok nem egyenlo˝ hosszú fázisok

t

ugró, vezérlésátadó utasítások, megszakítások ˝ regiszter (adat) függoségek

8 ugró utasítás esetén

megoldások...

csak az ugró (elágazó) utasítás feldolgozása végén ismert az ugrási cím (nem a következo˝ utasítás)

üres utasítások beiktatása

˝ a csovezeték már elkezdte feldolgozni a (soron) kövektezo˝ utasításokat

utasítások átrendezés

elágazásjövendölés (branch prediction)

˝ a csovezetéket ki kell "üríteni" és "újraindítani" Istenes Zoltán




Istenes Zoltán




˝ Csovezeték-feldolgozó

Soros utasítás-feldolgozás

Példa ˝ áll egy utasítás feldolgozása 5 "fázisból" ("lépésbol") (IF,ID,EX,MEM,WB) az utasítások egymás után következnek

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





˝ "Szuperskalár" csovezeték-feldolgozó

CISC / RISC CISC Complete Instruction Set Computer teljes utasításkészletu˝ számítógép sok, bonyolult utasítás változó utasításhossz mikroprogramozott vezérlo˝ több órajel/utasítás példa: VAX, Intel x86

˝ több párhuzamos csovezeték





gyorsítás, órajelfrekvencia... muveletvégzés ˝ gyorsítása Moore törvénye gyorsítótár, találati arány, leképzés memóriára ˝ csovezeték feldolgozó CISC / RISC

Istenes Zoltán


RISC Reduced Instruction Set Computer csökkentett utasításkészletu˝ számítógép kevés, egyszeru˝ utasítás fix utasításhossz huzalozott vezérlo˝ sok regiszter 1 órajel/utasítás

rövid program

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán

˝ csovezeték-feldolgozó példa: PowerPC, Alpha Számítógépek architektúrája

Memória Virtuális memória kezelése



1

Memória Memória-hierarchia Tárolókezelo˝ egység Átlapolásos technika

2

Virtuális memória kezelése Virtuális memória kezelése Szegmentálás Lapozás



Istenes Zoltán



Memória-hierarchia Tárolókezelo˝ egység Átlapolásos technika

Istenes Zoltán


Memóriák...



Memória-hierarchia

Memória feladata ˝ Adatok (több-kevesebb) megorzése(rövidebb-hosszabb) ideig.

címsín

gyorsítótárak (cache) (L1-3), ∼ CPU ciklus, ∼10kB központi memória, ∼100 CPU ciklus, ∼GB

CPU

memória

CPU, regiszterek, 1 CPU ciklus, ∼100B

adatsín

lemez háttértár, szalagos, optikai, ∼ms, ∼100GB "harmadlagos" háttértár, lemezegységek ∼10s, ∼TB-PB "offline" tár, emberi beavatkozás szükséges - $$$

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





Tárolókezelés feladatai


Memória régen...

a CPU által megcímzett címen lévo˝ érték elérése tárhierarchia hatékony muködtetése ˝

IBM 650 (1950-ben a legjobb tudományos számítógép) 2000 szavas memória

virtuális címek kezelése lapozás, szegmentálás memória "szétosztása"

ALGOL fordítóprogram 1024 szavas gépre

több program, több felhasználó

˝ PDP-1 idoosztásos rendszer (!) 4096 db 18 bites szó

"védelem" rendszerprogramok a felhasználótól felhasználók adatai felhasználók programjai (de közös eljárások)

Istenes Zoltán


1961 virtuális memória. . .


Istenes Zoltán



Átlapolásos (overlay) technika

címszélesség

Megoldás

memória címek

Program feldarabolása, csak a szükséges darab(ok) a memóriában data

data

data

data

data

p0

p0

p0

p0

p0

p3

p1

p2

p1 p


Cím, címartomány, címszélesség

Probléma Nagy program - kicsi memória

data


p2

cím

címtartomány = 2

memória értékek

000000 000001 000010 000011 011010

címszélesség

érték 10010110

111111 címtartomány

p3 Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



Virtuális memória kezelése Szegmentálás Lapozás


Logikai - fizikai címek


Szegmentált memória kezelése memória

Logkai cím(tartomány)

Fizikai cím(tartomány)

CPU által címezheto˝

központi memória mérete

programban használt

˝ függ adott géptol

szegmenstábla

s2 s1

Logikai - fizikai címek megfeleltetése program logikai cím MMU

i

központi memória fizikai cím j

logikai címtartomány

fizikai címtartomány

Memóriakezelo˝ egység (Memory Management Unit - MMU) Istenes Zoltán



Istenes Zoltán



Logikai cím - szegmenstábla - fizikai cím

eltolás

2 183 szegmenstábla bázis cím

hossz


logikai cím szegmensszám eltolás

szegmenstábla bázis cím


szegmentált címkiszámítás - példa

logikai cím szegmensszám

˝ szegmens: tetszoleges méretu˝ memória blokk cím meghatározása: szegmens meghatározása + szegmensen belüli "eltolás" (offset) meghatározása ˝ szegmenstáblában: szegmens kezdocíme + szegmens hossza üres memóriatartományok kezelése

hossz

összehasonlító 2 1000

200 1000

fizikai cím bázis cím Istenes Zoltán

+


7 3000

500

eltolás Istenes Zoltán

+ 183 = + eltolás

bázis cím fizikai cím


1183




Szegmens elhelyzése, "memória-kompaktálás"

Lapozásos virtuális memóriakezelés logikai memória

S7

S3

fizikai memória

S7

S2 S7

S2


MMU

S3 S1

?

S3

S1

másodlagos memória

?

S1

lapok: azonos (logikai, fizikai) rögzített méretu˝ adatblokkok

Istenes Zoltán



Lapozásos virtuális memóriakezelés logikai memória

Istenes Zoltán





Kapcsolódó fogalmak

fizikai memória logikai - fizikai címtartomány

MMU

memóriakezelo˝ egység (Memory Management Unit MMU)

másodlagos memória

lapozás (paging), lapcsere laptábla " cserehely" (swap) jelenléti bit (present bit) laphelyettesítési eljárás

logikai lapok - fizikai lapkeretek Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Lapozásos virtuális memóriakezelés



Logikai cím - laptábla - fizikai cím logikai lapszám

eltolás

laptábla

fizikai lapszám

jelenléti bit fizikai lapszám eltolás Istenes Zoltán




Lapozásos címkiszámítás - példa

... ... 1011 ... ... 1111 00000000000 ... 1111 11111111111

0000 0001 0010 0011 ... ... 1111

logikai lapszám

1 1 0 0 .. .. 1

01 11 00 00 .... .... 00




Lapozási mechanizmus

fizikai cím (13biten) lapszám eltolás (2biten) (11biten)

logikai cím (15biten) lapszám eltolás (4biten) (11biten) 0000 00000000000 ... 0000 11111111111 0001 00000000000 ... 0001 11111111111

Istenes Zoltán

00 ... 00000000000 00 11111111111 01 00000000000 ... 01 11111111111 10 ... 10 11 ... 00000000000 11 11111111111

jelenléti fizikai lapszám bit

Ha egy lap nincs a memóriában: 1

laphiba (page fault)

2

megszakítás

3

a kért lap betöltése a háttértárolóról

Ha nincs hely a lapnak a memóriában: laphelyettesítési eljárás (egy lap eltávolítása...) ˝ a lapkérelmeket") optimális ("ha tudnánk elore legrégebben bentlévo˝ (FIFO) legrégebben használt (LRU) legritkábban használt ...

megvalósítás bonyolultsága, tárigénye Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Optimális laphelyettesítés - példa

FIFO laphelyettesítés - példa

Optimális laphelyettesítés 3 lapkerettel lapkérelmek 2 3 2 4 lapkeret 1 >2 2 2 2 lapkeret 2 >3 3 3> lapkeret 3 >4 laphibák 1 2 3 találati arány (hit ratio) = 5/11

Istenes Zoltán


6 2 >6 4 4



FIFO laphelyettesítés 3 lapkerettel 2 2> 6 4

5 >5 6 4 5

6 5> 6 4

1 >1 6 4 6

4 1 6 4

6 1 6 4

lapkérelmek 2 3 2 4 lapkeret 1 >2 2 2 2> lapkeret 2 >3 3 3 lapkeret 3 >4 laphibák 1 2 3 találati arány (hit ratio) = 2/11


Istenes Zoltán


2 6 >2 4> 5

5 6 2 >5 6

6 6> 2 5

1 >1 2> 5 7




LRU laphelyettesítés - példa

6 >6 3> 4 4

Belady anomália - példa FIFO laphelyettesítés 3 lapkerettel

LRU laphelyettesítés 3 lapkerettel lapkérelmek 2 3 2 4 lapkeret 1 >2 2 2 2 lapkeret 2 >3 3 3> lapkeret 3 >4 laphibák 1 2 3 találati arány (hit ratio) = 4/11

Istenes Zoltán

6 2 >6 4 4

2 2 6 4>

5 2 6 >5 5


6 2> 6 5

1 >1 6 5> 6

4 1 6 >4 7

6 1 6 4

lapkérelmek lapkeret 1 lapkeret 2 lapkeret 3 laphibák

3 3

2 3 2

1

2

1 3 2 1 3

0 0 2 1 4

3 0 3 1 5

2 0 3 2 6

4 4 3 2 7

3 4 3 2

2 4 3 2

1 4 1 2 8

0 4 1 0 9

4 4 1 0

2 3 2 1 0 4

4 4 2 1 0 5

3 4 3 1 0 6

2 4 3 2 0 7

1 4 3 2 1 8

0 0 3 2 1 9

4 0 4 2 1 10

FIFO laphelyettesítés 4 lapkerettel lapkérelmek lapkeret 1 lapkeret 2 lapkeret 3 lapkeret 4 laphibák

3 3

2 3 2

1

2

1 3 2 1

0 3 2 1 0

3 Istenes Zoltán

3 3 2 1 0


4 1 >4 5> 8

6 1 4 >6 9



˝ További memóriakezelési lehetoségek, tulajdonságok




többszintu˝ lapozás szegmentált lapcímzés kezelése... szegmentálás + lapozás

memória-hierarchia

Translation Lookaside Buffer... a legutóbbi logikai-fizikai (lap)címmegfelelés tárolása

virtuális memória kezelés

tárolókezelo˝ egység szegmentálás, szegmenstábla

"overhead"

lapozás, laptábla, laphiba, laphelyettesítési eljárás

"working set", "demand paging"... "trashing" - multiprogramozás

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


Memóriatípusok csoportosítása, jellemzése Központi memória megvalósítása, ROM, RWM, RAM, CAM 1×1 bit → n×m bit


Memória-hierarchia Számítógépek architektúrája ˝ 7. eloadás Istenes Zoltán Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Kar Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék


CPU, regiszterek, 1 CPU ciklus, ∼100B gyorsítótárak (cache) (L1-3), ∼ CPU ciklus, ∼10kB ˝ központi memória, elsodleges memória ∼100 CPU ciklus, ∼GB lemez háttértár, szalagos, optikai, másodlagos memória ∼ms, ∼100GB "harmadlagos" háttértár, lemezegységek ∼10s, ∼TB-PB "offline" tár, emberi beavatkozás szükséges - $$$

Istenes Zoltán

Istenes Zoltán





Mennyiségi jellemzés ˝ Idobeli jellemzés

Memóriák "mennyiségi" jellemzése 1

2

3

Memóriatípusok csoportosítása, jellemzése Mennyiségi jellemzés ˝ Idobeli jellemzés

kapacitás: tárolható adat mennyisége legkisebb címezheto˝ egység hozzáférési szélesség

Központi memória megvalósítása, ROM, RWM, RAM, CAM ROM megvalósítás PROM megvalósítás

átlapolhatósági fok: egyszerre muködhet ˝ o˝ modulok

i i+1

1×1 bit → n×m bit Reset-Set Flip-Flop Data Flip-Flop 1x1 bit - 4x8 bit

i i+1

8 bit

Istenes Zoltán


i i+1

16 bit

Istenes Zoltán


8 bit





˝ Memóriák "idobeli" jellemzése "Változékonyság" (volatility) változékony (pld.: központi memória) nem változékony (pld.: háttértároló) ˝ idotartam ˝ ˝ az adat elérési ido: az olvasási igénytol megérkezéséig

dinamikus: változékony és folyamatos frissítést igényel (pld.: DRAM)

˝ két hozzáférés közti minimális ido˝ ciklusido: átlapolhatósági fok: egyszerre muködhet ˝ o˝ modulok adatátviteli sebesség

Istenes Zoltán




Hozzáférés véletlenszeru˝ elérés (random access), "címfüggetlen" soros elérés (pld.: szalag) ciklikus elérés (pld.: merevlemez) ˝ asszociatív (CAM) tartalom szerint elérheto,

Istenes Zoltán




Tartalom szerint elérheto˝ memória összehasonlítás összehasonlítás összehasonlítás

kulcs(1) kulcs(2) kulcs(3)

érték(1) érték(2) érték(3)

...

...

kulcs(n)

érték(n)

egyéb: verem (LIFO), cso˝ (FIFO)

összehasonlítás kulcs(k)

érték(k)

Tartalom szerint elérheto˝ memória - Content addressable memory (CAM)

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán






Megvalósítás technológiája Megváltoztathatóság olvasható, írható (RWM) csak olvasható (ROM), csak egyszer írható (pld.: WORM, CD-R)

mágneses

lassan írható, gyorsan olvasható (pld.: CD-RW)

optikai, mágneses-optikai

˝ félvezetos ˝ késlelteto˝ vonal régi technológiák: papír, elektroncso, egyéb: holografikus, molekuláris, ...

Istenes Zoltán



Istenes Zoltán


ROM megvalósítás PROM megvalósítás

"Bithiba"



ROM megvalósítás

Információ mennyisége? GiB? TiB? Információ "változása"? CPU-MEM GiB/s? 1 bit hibája: "ha nagyon mindegy" "ha nagyon nem mindegy" hibadetektálás, hibajavítás, többszörös bithiba

Istenes Zoltán

memória tartalom 10011010 11100000 10110101 00110000 11010110 11001111 00101100 10000101


paritás bit 0 1 1 0 1 1 paritás hiba 1 1

maszkolt ROM

Istenes Zoltán




ROM megvalósítás



ROM megvalósítás

Iolvasó 1-2

s0 s0 0 1

ROM olvasás

Istenes Zoltán


b3 b3 1 1

b2 0 1



b1 1 0

b2

b1

b0

b0 0 0 Istenes Zoltán



Reset-Set Flip-Flop Data Flip-Flop 1x1 bit - 4x8 bit

Egy "furcsa" kapcsolás

PROM megvalósítás

a

c

b

d

Iíró

’kiégetés’ visszacsatolás

Iíró>>Iolvasó

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





Érték beírása...

a=0

b=1

c=x d=y

Érték tárolása...

a=0

c=x

a=0

c=1

a=0

c=1

a=0

c=1

b=1

d=0

b=1

d=0

b=1

d=0

b=0

d=0

Istenes Zoltán



Istenes Zoltán



Instabil állapot...



Reset-Set Flip-Flop R (reset)

a=1


c=1

a=1

c=0

b=1

d=0

b=1

d=0

a=0

c=1

a=0

c=0

a=0

c=1

b=0

d=1

b=0

d=0

b=0

d=1

S (set)

Q

Q

R 1 0 0 1

S 0 1 0 1

Qt x x x x

Qt+1 0 1 x ???

megjegyzés törlés beállítás ˝ megorzés instabil

R Q S

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán





1x1 bit

Data Flip-Flop

Din D

D (data) R

Q

Q

1x1 bit CS

CS Qt y y

Qt+1 y x

megjegyzés ˝ megorzés tárolás

Istenes Zoltán


Dout

Din

Clk

Clk D x x

Dout

Q

Clk

D Q

S Clk 0 1


Din x x x

WR/RD CS 0 1 1

WR/RD y 1 0


Qt z z z

Qt+1 z x z

Istenes Zoltán



1x4 bit

WR/RD

Dout hi-Z hi-Z z

megjegyzés inaktív tárolás olvasás



4x8 bit d3-0

d7-4 Din0

Dout0 1x1bit Dout1

Din1 1x1bit

d3 d2 d1 d0 Dout2

Din2 1x1bit Din3

CS 1x4bit

1x4bit

1x4bit

1x4bit

1x4bit

1x4bit

1x4bit

1x4bit

1x4bit

CS DEMUX 1-4 a1 a0

W/R Dout3

1x1bit CS

WR/RD WR/RD Istenes Zoltán


Istenes Zoltán






1Mi x 8bit → 16Mi x 32bit

DRAM 4x4 bit

a0-a19 CS

a0-a23 CS

1Mi x 8bit WR/RD

16Mi x 32bit WR/RD

d0-d7

Istenes Zoltán

Istenes Zoltán





1Mi x 8bit → 16Mi x 32bit

d0-d31




20 a0-a19 1Mi x 8bit

d0 d1 d2 ... d15

CS

1Mi x 8bit

1Mi x 8bit

1Mi x 8bit

memóriák csoportosítása, jellemzése

1Mi x 8bit

bithiba

1Mi x 8bit

ROM, RWN,RAM, CAM, PROM

a20-a23 4

1x1 bites memória, RSFF, DFF

1Mi x 8bit

WR/RD

8

8

8

8

"többbites" memóriák

32 d0-d31

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


Kapcsolatok, Input / Output Sínrendszer



1

Kapcsolatok, Input / Output "Külvilág".. Kapcsolat portokon keresztül

2

Sínrendszer Sínrendszer-architektúra Sínfoglalás (bus arbitration) Különféle típusú gép sínrendszer példák



Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



"Külvilág".. Kapcsolat portokon keresztül



CPU, Memória, és még valami...

Kapcsolat a "külvilággal"

Számítógép fo˝ számítási funkciója csak a CPU-t és a Memóriát érinti: CPU beolvassa az utasításokat és az adatokat a memóriából, feldolgozza majd az eredményt a memóriában tárolja...

külvilág Kérdés Hogyan kerülnek az adatok a memóriába?

CPU

Istenes Zoltán

MEM


A kimeneti és bemeneti egység feladata: információcsere a CPU vagy a központi memória és a külvilág között... Példa Elhanyagolható a külvilág? Példa Nagyon fontos a külvilág?

Istenes Zoltán




A ki/bemeneti egység feladata



Célok és problémák...

kapcsolatok kezelése adatátvitel

Problémák: eszközök (CPU - perifériák) eltéro˝ sebessége...

processzor - memória - I/O eszköz

˝ eszközök különbözosége (kezelési mód)... ki/bemeneti eszköz Célok: eszközök minél gyorsabb, „jobb” kiszolgálása...

input/output device I/O eszköz

a CPU minél kisebb leterhelése...

periféria Példák perifériákra?

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán






I/O eszközök portjainak az elérése címsín adatsín

Perifériák kezelése portokon keresztül tárolóhoz rendelt módon (memory mapped addressing): a központi memórián keresztül

CPU c port

s port

d port

I/O

címsín adatsín közvetlen I/O utasítások: közvetlenül az eszközvezérlo˝ regiszterébe

eszköz vezérlö”

CPU c port: s port: d port:

MEM

parancsregiszter állapotjelzo˝ regiszter adat ki/bemeneti regiszter Istenes Zoltán


MEM

I/O

címsín adatsín MEM / IO Istenes Zoltán



Sínrendszer-architektúra Sínfoglalás (bus arbitration) Különféle típusú gép sínrendszer példák

Sínrendszer feladata



Sínrendszer struktúrája Külso˝ / belso˝ sínrendszer (CPU-hoz képest)

A sínrendszer feladata: ˝ adatok, vezérlojelek továbbítása

˝ (pld. 3 sín, külön adatsín írásra, olvasásra...) belso: ˝ külso: helyi sín (local bus) (pld. co-processzor) rendszersín (system bus) (pld. I/O) memóriasín (memory bus)

Átvitel létrehozásakor eszközök kijelölése ("cím" megadás...)

Sínrendszer részei:

adatátvitel iránya eszközök szinkronizálása (muködésének ˝ összehangolása)

címsín adatsín ˝ vezérlosín

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán



Sínrendszerek - példa



Sínrendszerek - példa

CPU CPU


MEM

MEM I/O processzor

I/O

I/O

I/O

osztott rendszersín (system bus)

I/O

I/O

I/O

renszersín, I/O sín

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán






Vezérlo˝ jelek

Sínrendszerek - példa helyi sín CU

CPU REG

co-processor

cache

adatátvitelt vezérlo˝ jelek: memória /periféria M/IO írás / olvasás R/W szó / byte átvitel WD/B cím a sínen adat a sínen átvitel vége

ALU

rendszersín I/O processzor MEM

MEM

IO sín

megszakítást vezérlo˝ jelek sínvezérlo˝ jelek (kérés, foglalás, visszaigazolás)

MEM

MEM

I/O

I/O

I/O

egyéb... (órajel, ütemezés, táp,...)

belso˝ sín, helyi sín, rendszersín, IO sín Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Soros kiszolgálás (daisy chain)

sín

sínengedélyezés

I/O 1

I/O 2

I/O 3

sín vezérlö”

sínkérés sín

sínkérés (BREQ - bus request) sínengedélyezés (BG - bus grant)

Istenes Zoltán


Lekérdezéses kiszolgálás (polling)

sínengedélyezés sín vezérlö”



I/O 1

I/O 2

sínkérés

sínkérés (BREQ - bus request) lekérdezo˝ szám (polling count)

Istenes Zoltán


I/O 3




Párhuzamos kiszolgálás (independent requesting)


Fogalmak

sínengedélyezés sínprotokoll (mechanikus, elektromos, logikai) átlapolódó sínciklusok

sín vezérlö” sín

I/O 1

I/O 2

I/O 3

sínfoglalás (bus arbitration) sínvezérlo˝ (sínmeghajtó) egység (bus interface)

sínkérés

master / slave

Istenes Zoltán



Istenes Zoltán


Master / slave sínhasználat


adat

co-processzor

DMA I/O

I/O eszköz

sínhasználat kezdményezése, aktív eszköz (master) sínhasználat végrehajtása, passzív eszköz (slave)

Istenes Zoltán


33.33 MHz clock with synchronous transfe, 32-bit or 64-bit bus width, 32-bit address space, 32-bit port space, 256-byte configuration space, 3.3 or 5-volt signaling peak transfer rate of 133 MB per second for 32-bit bus width (33.33 MHz × 32 bits × 1 byte/8 bits = 133 MB/s)

memória

adat


PCI

utasítás

processzor utasítás

blokk sínciklus (burst cycle)


AGP AGP 8x, using a 32-bit channel operating at 66 MHz, strobing eight times per clock, delivering an effective 533 MHz resulting in a maximum data rate of 2133 MB/s (2 GB/s); 0.8 V signaling. PCI Express, PCIe, or PCI-E PCIe transfers data at 250 MB/s per lane to a maximum of 32 lanes, a total combined transfer rate of 8 GB/s. It must be noted that PCIe is able to transfer data in both directions at once (full-duplex). This effectively doubles the data transfer rate allowing 500 MB/s per lane giving a total combined transfer rate of 16 GB/s when 32 lanes are employed. DDR-SDRAM PC-3200: DDR-SDRAM memory module specified to operate at 200 MHz using DDR-400 chips, 3.200 GByte/s bandwidth DDR2-SDRAM Standard name: DDR2-1066, Module name: PC2-8500, Memory clock: 266MHz, I/O Bus clock: 533MHz, Peak transfer rate: 8500MB/s Istenes Zoltán




Sínrendszerek - "laptop" példa



Sínrendszerek - "desktop" példa

PCI: 133MB/s AGP4x: 1066MB/s DDR333: 2667MB/s PCI-E: 250MB/s/lane (max 8GB/s)

Istenes Zoltán




Sínrendszerek - "szerver" példa

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán




Sínrendszerek - "játékgép" példa

Istenes Zoltán




Sínrendszerek - "szuperszámítógép" példa




kapcsolatok, ki/bemenet, perifériák portok, eszközvezérlo˝ sínrendszer, sínrendszer-architektúra sínfoglalás, soros kiszolgálás, lekérdezéses kiszolgálás, párhuzamos kiszolgálás master/slave sínhasználat

Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


Megszakítás-rendszer I/O rendszerek



1

Megszakítás-rendszer Váratlan események kezelése... Megszakítás és kivétel Megszakítás-kezelés folyamata

2

I/O rendszerek Programozott I/O Közvetlen memória hozzáférés I/O processzor



Istenes Zoltán



Istenes Zoltán

Váratlan események kezelése... Megszakítás és kivétel Megszakítás-kezelés folyamata




Megszakítás folyamata "Váratlan események"...

1

"futó" program

megszakítás (interrupt)

2

megszakítás

megszakítási rendszer

3

a "futó" program megszakítása

megszakítási kérelem (IRQ - Interrupt Request) megszakítási kérelem kiszolgálása Cél:

4

"kiszolgáló" program indítása

5

"kiszolgáló" program lefutása

6

"kiszolgáló" program befejezése

események gyors kezelése... minél kevésbé zavarja a feldolgozást...

Istenes Zoltán


futó program

7

"visszatérés" a megszakított programhoz

8

a "futó" program folytatása Istenes Zoltán

megszakítás kérelem i. 2 i+1.

megszakítást kiszolgáló 1 program 4 j. 3 5 7 8


6



Megszakítás és kivétel


Megszakítás-kezelés folyamata kivétel kiszolgálása

megszakítás kiszolgálása

1

n. utasítás n+1. utasítás megszakítás

n. utasítás programmuködés ˝ szinkron esemény

perifériára várakozás asszinkron esemény

hibás utasítás 0-val osztás túlcsordulás laphiba

várható "kért" muködés ˝ váratlan "hiba"


megszakítás engedélyezése maszkolás prioritás megszakítható pont

2

megszakítás analízisa (kiszolgáló rutin?)

kivétel

hardver muködés ˝

Istenes Zoltán


kód tárcím utasítás 3

állapotmentés

4

kiszolgálás

5

állapot visszaállítása


Istenes Zoltán


Megszakítás engedélyezése - maszkolás, prioritás Maszkolás: bizonyos megszakítások "figyelmen kívül hagyása" megszakítási kérelmek engedélyezése / tiltása maszkolható / nem maszkolható kérelmek (NMI) Prioritás: prioritások kezelése: ˝ több megszakítás egyidoben?




Többszörös megszakítás egyszintu˝ megszakítási rendszer: a kiszolgáló rutin nem megszakítható többszintu˝ megszakítási rendszer: ˝ prioritási szintnek megfeleloen prioritás szint

kiszolgáló-5 kiszolgáló-4

kiszolgáló-2

kiszolgáló-2

többszörös megszakításkezelés: újabb megszakítás a megszakítás kezelése közben? 2

megszakítható pont... Istenes Zoltán


5

megszakítási kérelmek 4 prioritások Istenes Zoltán


t



Megszakítás-analízis - a megszakítást kezdeményezo˝ eszköz



˝ Megszakítás-analízis - rutin kezdocím meghatározás A megszakítást kezdeményezo˝ eszköz kiszolgáló rutinjának a ˝ kezdocímének a meghatározása. címsín

Szoftver módszer ˝ operációs rendszer idonként megvizsgálja az eszközöket "lekérdezéses megszakításkezelés" (polling interrupt)

CPU utasításszámláló reg. vezérlö” egység ALU dekódoló Memória

regiszterek utasítástároló reg.

Hardver módszer 1 megszakítási vonal...

adatsín

több megszakítási vonal...

kiszolgáló rutint elindító utasítás átadása

˝ vektoros módszer: kiszolgáló rutin kezdocíme...

kiszolgáló rutint elindító utasítás címének az átadása kiszolgáló rutin címének az átadása sorszám átadása: megszakítási vektortáblában rutinok ˝ kezdocímei, sorszám mint index a táblázatban

Istenes Zoltán




Megszakítás vektortábla címsín INT REQ 2 CPU

1

output A

input B




Állapotmentés - visszaállítás 0 1 2

0 input

Istenes Zoltán

200 350

350 200 500 ...

"Mit kell elmenteni? Kinek, hogyan? Hova?"

Kinek, hogyan:

Mit:

A output

regiszterek

hardver

A input

PC

szoftver

Hova: verem

PSW

500

B input

adatsín Istenes Zoltán


Istenes Zoltán


memória


Programozott I/O Közvetlen memória hozzáférés I/O processzor

Programozott I/O

MEM



Programozott I/O utasítások

CPU reg

I/O port

az I/O eszköz memóriához hasonló kezelése bájtonkénti (szavankénti) adatátvitel a CPU-n keresztül I/O - CPU , CPU - MEM MEM - CPU , CPU - I/O

Istenes Zoltán


Példa státuszinformáció az 1-es port-ról olvasható, ha kész az eszköz, az adat a 2-es port-ról olvasható WAIT: IN 1 CPI ready JNZ WAIT IN 2 ...

1-es port-ról státuszinformáció beolvasása az akkumulátorba összehasonlítása a „ready” konstanssal, ha egyenlo˝ Zflag=1 ha Zflag<>1 ugrás WAIT-re adat beolvasása a 2-es port-ról ...


Istenes Zoltán


A programozott I/O tulajdonságai

az IO átvitel sebességét attól függ, hogy a CPU milyen gyorsan tudja az I/O eszközt vizsgálni és kiszolgálni... ˝ „veszít” az eszköz a CPU (feleslegesen) sok idot állapotának a vizsgálatával és az adatátvitellel... ha több (vizsgálandó) eszköz van... az adat a CPU-n halad keresztül, ahelyett hogy közvetlenül a memóriába jutna... egyszeru, ˝ "rugalmas", "pontosan" kézben lehet tartani az adatátvitelt...

Istenes Zoltán

IN X bájt (szó) átvitele az X portról az akkumulátor-regiszterbe OUT X ˝ az X portra bájt (szó) átvitele az akkumulátor-regiszterbol





Megszakításos I/O Probléma: a CPU sokszor feleslegesen várakozik az IO muveletre... ˝ Ötlet: az eszköz megszakítás-kérelemmel jelez ha készen van... a CPU-nak nem kell várnia... Tulajdonságok: sok nagysebességu˝ eszköznél (blokkátvitel) használhatatlan... a megszakítások többlet terhei (overhead) miatt...

Istenes Zoltán




Közvetlen memória hozzáférés



I/O processzor muködése ˝

MEM címsín adatsín CPU

INT

DC

IOAR

IODR

I/O

CPU elindítja az IOP-t

CPU

˝ (CCW) IOP utasításai a MEM-bol adatáramlás

IOP

I/O - IOP - I/O I/O - IOP - MEM

MEM címsín

˝ CPU ellenorizheti IOP-t

I/O-1 I/O-2

IOP jelez CPU-nak ha végzett (INT)

adatsín CPU

INT

DC

IOAR Istenes Zoltán


IODR

I/O Istenes Zoltán



Az IOP vezérlése





CCW - Channel Command Word: csatornavezérlo˝ szó Példa Blokk írása I/O processzor-ral IBM System 360-370 IO program példa CCW utasítások a IOP-nak 07h. .40h. szalag visszatekerése 37h. .40h. elso˝ rekord átugrása ˝ 100 byte írása 01h.buffer.40h.100 "buffer" címrol 1Fh. .40h. marker írása 07h. .00h. szalag visszatekerése, stop

megszakítás-rendszer megszakítás / kivétel megszakítási vektortábla, állapotmentés programozott I/O megszakításos I/O közvetlen memória hozzáférés I/O processzor

multiplexer channel: egy IOP több (lassú) IO eszközt kezel selector channel: egy IOP egy (gyors) IO eszközt kezel Istenes Zoltán


MEM

Istenes Zoltán


I/O-n

Az előadó (Istenes Zoltán) elérhetősége

Recommend Documents