Основные элементы аппаратуры компьютера

Здесь рассмотрены основные аппаратные элементы компьютера и соответствующие понятия, необходимые для уяснения последующих описаний функционирования ОС. В укрупненный состав компьютера входят следующие четыре структурных компонента [5-7].

Процессор.Он осуществляет контроль над действиями компьютера, а также выполняет функции обработки данных. Если в системе есть только один процессор, он часто называется центральным процессором (Central Processor Unit, CPU).

Основная (оперативная, реальная, первичная) память(ОП). Сюда загружаются и здесь располагаются во время выполнения программы и данные. Как правило, эта память является временной (ее содержимое пропадает при отключении питания). Модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек. В каждую ячейку может быть записано двоичное число, интерпретируемое как команда или как данные.

Устройства ввода-вывода. УВВ служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств. В их число входят: внешняя (вторичная) память, терминал (монитор на основе электронно-лучевой трубки, жидкокристаллический, плазменный или иной, клавиатура, мышь, джойстик и другие устройства указания), дисководы для различных носителей, коммуникационное оборудование, оборудование мультимедиа, специальное оборудование (объекты управления, датчики, устройства поддержки среды виртуальной реальности и т.п.). Модуль ввода-вывода служит для передачи данных как от УВВ в процессор и память, так и обратном направлении. Для временного хранения данных в нем есть свои внутренние буферы.

Системная шина. Это основная многоразрядная информационная магистраль, обеспечивающая взаимодействие между процессором, ОП и УВВ.

В процессоре имеется определенный набор регистров. Регистр представляет собой область памяти быстрого доступа, но намного меньшей емкости, чем ОП. По своим функциям регистры делятся на две группы: регистры, доступные пользователю; управляющие регистры и регистры состояния.

Регистры, доступные пользователю. Они позволяют программисту сократить число обращений к ОП, оптимизируя использование регистров с помощью машинного языка или ассемблера. В состав языков высокого уровня входят оптимизирующие компиляторы, способные определить, какие переменные программы следует заносить в регистры, а какие – в ОП. Некоторые языки высокого уровня (в том числе язык С) предоставляют программисту возможность предложить компилятору хранить те или иные данные в регистрах.

К этим регистрам пользователь может обращаться с помощью команд машинного языка. К ним, как правило, имеют доступ и все системные и пользовательские программы. Обычно среди доступных регистров есть регистры данных, адресные регистры и регистры кода условия.

Регистры данных в ряде случаев имеют общее назначение и могут использоваться любой машинной командой для операций с данными. Но зачастую при этом накладываются определенные ограничения. Например, некоторые регистры предназначены для операций над числами с плавающей точкой, остальные – для хранения целых чисел.

Адресные регистры содержат адреса команд и данных в ОП. В них может быть записана только часть адреса, использующаяся для вычисления полного или эффективного адреса. Примеры: индексный регистр, содержимое которого в обычном режиме адресации суммируется с содержимым базового регистра; сегментный регистр, используемый при сегментной адресации памяти, когда при вычислении адреса ячейки памяти номер сегмента суммируется со смещением относительно начала сегмента.

Еще одним примером адресного регистра является регистр стека. Стек (stack – стог, груда) размещается в ОП в виде последовательности ячеек. Он похож на стопку листов с данными, в которой листы можно класть (писать) и брать (читать) только сверху. При стековой адресации выделяется специальный регистр, в котором размещен указатель на вершину стека. Такой режим адресации позволяет использовать некоторые команды, в которых отсутствует поле адреса.

Управляющие регистры и регистры состояния. Они используются в процессоре для контроля над выполняемыми операциями. С их помощью привилегированные программы ОС могут контролировать ход выполнения других программ.

Для контроля над работой процессора используются различные регистры. Это, например, регистры адреса памяти, буфера памяти, адреса ввода-вывода, буфера ввода-вывода. Кроме них важными для выполнения команд являются:

· программный счетчик, содержащий адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти;

· регистр команд, содержащий последнюю выбранную из памяти команду.

В состав всех процессоров также входит регистр (или набор регистров) слова состояния программы. В нем, как правило, содержатся коды условий и другая информация о состоянии. Примеры: бит разрешения или запрета прерываний; бит системного или пользовательского режима.

Коды условий (флаги) – это последовательность битов, устанавливаемых или сбрасываемых процессором в зависимости от результата выполняемых операций. Впоследствии установленные коды условий могут быть проверены условной операцией ветвления. Биты кодов условий группируются в один или несколько регистров (обычно они составляют часть управляющего регистра). Имеются машинные команды, позволяющие только прочитать содержимое этих битов.

В компьютерах, использующих различные виды прерываний, может предусматриваться несколько регистров прерываний с указателями на каждую программу обработки прерываний. При использовании стека процессор должен иметь регистр – указатель стека. Для аппаратной поддержки управления памятью нужны свои регистры. Часто используются регистры и при управлении операциями ввода-вывода.

На устройство и организацию управляющих регистров и регистров состояния влияют несколько факторов. Одним из них является поддержка ОС. ОС может использовать управляющую информацию по-разному. Если разработчик процессора имеет ясное представление об ОС, которая будет с ним работать, он сможет спланировать организацию регистров так, чтобы обеспечить аппаратную поддержку ряда таких важных возможностей, как защита памяти или переключение пользовательских программ. Другим фактором и ключевым решением является распределение управляющей информации между регистрами и памятью. Обычно принято выделять для нее несколько первых сотен или тысяч слов памяти. Конструктор должен решить, какая часть информации будет находиться в более дорогих, но и более быстрых регистрах, а какая часть – в более дешевой, но сравнительно медленной ОП.

Кэш – память сравнительно небольшого объема и с малым временем доступа (быстрее ОП), помещаемая между процессором и ОП. Кэш предназначен для того, чтобы приблизить скорость доступа к памяти к максимально возможной и в то же время обеспечить большой объем памяти по цене более дешевых типов полупроводникой памяти. В кэше хранится копия фрагмента (блока) ОП, используемого ОС в данное время. Когда процессор пытается прочитать очередное слово из ОП, выполняется проверка его наличия в кэше, вероятность чего достаточно высока. При наличии слова в кэше, оно передается процессору, ускоряя работу системы, иначе в кэш загружается следующий требуемый блок. Кэш может быть организован в виде одного или нескольких уровней [5].

Дата добавления: 2014-11-20; просмотров: 332; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!