Регистр адреса памяти и регистр данных

• Регистр адреса памяти содержит адрес ячейки памяти, к которой будет обращаться процессор. Выход этого регистра называется адресной шиной.
• Регистр данных – служит для промежуточного хранения данных считываемых или записываемых в память. Выход этого регистра называется шиной данных.

Регистры общего назначения (РОН)

• РОН служат в качестве запоминающих устройств для временного хранения данных.
• Это позволяет повысить быстродействие микропроцессора за счет сокращения пересылок кодов между МП и более медленной оперативной памятью.

§ РОН представляет собой сверхбыструю регистровую память процессора.

Стек

• Стек – это область памяти, специально выделяемая для временного хранения данных. Стек предназначен для обработки прерываний.
• Запись и чтение данных в стеке осуществляется в соответствии с принципом «последним пришел, первым ушел».
• Информация в стеке размещается в строгой последовательности – ячейка памяти, заполненная последней, считывается первой, а ячейка памяти заполненная первой извлекается последней.

§ По мере записи данных в стек он растёт в сторону младших адресов.

Указатель стека ( SP )

• Указатель стека (SP) представляет регистр, который содержит адрес последнего помещенного в стек байта.
• Обращение и адресация к стеку производится через регистр указателя стека.
• При записи слова данных в ячейку стека значение адреса в указателе стека уменьшается на единицу, а при считывании данных увеличивается на единицу.
• Вершиной стека называется адрес его последней загруженной ячейки памяти. Указатель стека всегда содержит адрес его вершины. Вершина стека подвижна
•  Начало стека в ОЗУ (его дно) определяется программистом путём записи в регистр SP адреса первой ячейки памяти стека.

Схема управления (микропрограммного управления)

• Схема управления состоит из дешифратора команд и устройства управления и синхронизации.
• Дешифратор команд анализирует отдельные биты команды, находящиеся в регистре команд и передаёт код операции в устройство управления.

Устройство управления

• Основу устройства управления составляет постоянная управляющая память микропрограмм. Каждой машинной команде соответствует определенная микропрограмма, зашитая в этой памяти.
• Устройство управления получает сигналы от дешифратора команд, а также от регистра состояния и вызывает выполнение соответствующей микропрограммы, по которой устройство управления вырабатывает сигналы управления всеми блоками МП для координации выполнения соответствующей машинной команды.

8. Последовательность операций в процессоре при выполнении программы

1. В счетчик команд заносится адрес ячейки памяти, содержащий первую команду программы.

2. Адрес команды через регистр адреса поступает на шину адреса памяти. По сигналу управления процессор считывает команду, находящуюся по этому адресу на шину данных и записывает в регистр данных процессора.

3. Из регистра данных текущая команда поступает в регистр команды. Там команда дешифруется и анализируется устройством управления.

4. В зависимости от кода операции Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы (микрокоманды) для управления внутренними элементами процессора.

5. Если машинная команда использует данные из памяти, определяется, где находятся эти данные. Процессор переносит данные в свои внутренние (буферные) регистры.

6. Содержимое счетчика команд увеличивается. В нем уже содержится адрес следующей команды.

7. АЛУ выполняет операцию над данными, находящимися в регистрах сохраняет результат в аккумуляторе. 

8. В регистре слова состояния программы устанавливаются признаки выполнения команды

9. Считывается следующая команда и цикл повторяется.

9. Назначение и организация механизма прерываний. Типы прерываний. Множественные прерывания

Назначение и организация механизма прерываний

• Прерывание – это временное прекращение выполнения одной программы для выполнения другой программы (запланированной или незапланированной);
• Прерывания предназначены для:

• повышения эффективности работы процессора;

• организации многозадачного режима;

• Пример (клавиатура).

Обработка прерываний

• 1)При поступлении сигнала или команды процессор приостанавливает работу текущей программы.
• 2)Процессор сохраняет в стеке текущее содержимое регистра счетчика команд (указывает на следующую команду прерываемой программы) и регистра слова состояния (хранит признаки результата выполнения последней команды прерываемой программы), используя указатель стека.
• 3) По номеру сигнала (команды) прерывания процессор загружает из таблицы векторов прерывания в счетчик команд процессора начальный адрес программы обработки прерывания
• 4)Программа обработки прерываний сохраняет в стеке содержимое остальных регистров процессора (РОН, аккумулятор), прерываемой программы и выполняют необходимые действия по обслуживанию прерывания.
• 5)После обслуживания прерывания программа обработки прерывания загружает из стека содержимое регистров процессора, на момент возникновения прерывания.
• 6)В счетчик команд процессора из стека загружается адрес следующей команды прерванной программы и слово состояния программы.
• 7)Прерванная программа продолжает работать.

Пункты 1 - 3 выполняются аппаратурой

Пункты 4 – 7 выполняются программно

Типы прерываний

В зависимости от источника возникновения сигнала, прерывания делятся на:

§ Внешние — события, которые исходят от внешних аппаратных источников (например, клавиатуры, мышки и т.д.) и могут произойти в любой произвольный момент: сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя, нажатие клавиш клавиатуры, движение мыши;

§ Программные — вызываются исполнением специальной команды в коде программы. Программные прерывания, как правило, используются для обращения к функциям операционной системы (например, cin, cout), драйверов и др.;

§ Внутренние — события в самом процессоре как результат нарушения каких-то условий при исполнении машинного кода программы: деление на ноль или переполнение стека, обращение к недопустимым адресам памяти или недопустимый код операции.

Множественные прерывания

Множественные прерывания – когда возникают два прерывания одновременно.

Как их обрабатывать? Два способа:

• последовательная обработка прерываний — это запретить новые прерывания до тех пор, пока обрабатывается предыдущее. Недостатком такого подхода является то, что он не учитывает приоритет других прерываний, в которых время является критическим параметром;

• вложенная обработка прерываний способ: при котором учитывается приоритет прерывания, что позволяет приостановить обработку прерывания с более низким приоритетом в пользу прерывания солее высоким приоритетом.

10.  Режим пользователя и режим ядра. Ядро ОС и вспомогательные функции

Программы, запущенные на компьютере, имеют два режима работы:

режим ядра (режим системы);

и режим пользователя.

В режиме ядра программа имеет полный доступ ко всему аппаратному обеспечению, ей доступны все машинные команды процессора и вся память.

В режиме пользователя   программе доступно часть машинных команд процессора и ограниченное поле системной памяти. (Например, в этом режиме запрещено использование команд, осуществляющих операции ввода-вывода).

Режим пользователя

Вспомогательные модули работают в пользовательском режиме.

Вспомогательные модули ОС

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

· утилиты — программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы (например, программы сжатия шифрования дисков, архивирования данных и. т. д.);

· программы предоставления пользователю дополнительных услуг — (калькулятор, игры, текстовый редактор, например, Internet Explorer);

· системные обрабатывающие программы - компиляторы, компоновщики, отладчики, (например, компилятор GCC, встроенный в ОС Linux);

· библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений (например, библиотека математических функций, библиотека ввода – вывода).

Режим ядра

Ядро операционной системы работает в привилегированном режиме (режиме ядра).

Ядро

§ Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, т.е. работают в режиме ядра.

§  Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата других приложений.

Функции, входящие в состав ядра можно разделить на два класса:

§ 1 класс. Функции для управления вычислительным процессом (Эти функции недоступны для приложений):

• программами (процессами);
•  памятью;
• Прерываниями;
• вводом -выводом;
• файловой системой.

§ 2 класс. Функции для поддержки приложений (доступны приложениям). Эти функции создают для приложений интерфейс прикладного программирования - API.

• Приложения обращаются к ядру с запросами - системными вызовами;
• Функции API обслуживают системные вызовы - предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме.

11.  Классификация архитектур ОС. Монолитная и уровневая архитектура. Достоинства и недостатки.