Programowanie Niskopoziomowe Wykład 3: Architektura procesorów x86 Dr inż. Marek Mika Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Jana Amosa Komeńskiego W Lesznie
Plan Pojęcia ogólne Budowa mikrokomputera Cykl wykonania instrukcji Cykl odczytu pamięci Ładowanie i wykonywanie programów Wielozadaniowość
Członkowie rodziny x86 Procesory 32-bitowe Intel, AMD, Cyrix, VIA itp. Wszystkie procesory Intel IA-32: Intel 80386 (1985), Intel486, Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium M, Intel Core, Pentium 4 Procesory AMD: Am386, Am486, Am5x86, K5, K6, K6-2, K6-3, Athlon, Athlon XP Procesory Cyrix: Cyrix III - Samuel, 5x86, 6x86, Cyrix III Joshua Procesory VIA: C3, C7 Inne (m.in. NexGen, IDT, Centaur, Rise Technology)
Blokowy schemat mikrokomputera szyna danych, szyna we/wy rejestry CPU Pamięć Urz. we/wy nr 1 Urz. we/wy nr 2 ALU CU clk szyna sterująca szyna adresowa
CPU CPU (Central Processor Unit): rejestry pełniące rolę komórek pamięci clk zegar (o wysokiej częstotliwości) synchronizujący wewnętrzne operacje procesora z innymi komponentami systemu ALU (Arythmetic Logic Unit) jednostka arytmetyczno-logiczna wykonująca operacje matematyczne (dodawanie, odejmowanie itd.) i logiczne (iloczyn, alternatywa, negacja itd.) CU (Control Unit) jednostka sterująca koordynująca sekwencję kroków wykonywanych podczas przetwarzania instrukcji maszynowej
CPU i inne komponenty systemu Po łączenie CPU z płytą główną szyna danych szyna we/wy szyna adresowa szyna kontrolująca Pamięć przechowuje dane i instrukcje programu przetwarzanie danych następuje w procesorze instrukcje programu są przesyłane do procesora (pojedynczo lub grupami)
Szyny Fizycznie wiązka przewodów (ścieżek) Szyna danych do transferu danych i instrukcji między pamięcią i CPU Szyna we/wy do transferu danych między CPU a urządzeniami we/wy Szyna sterująca używa sygnałów binarnych do synchronizacji działań wszystkich urządzeń (układów) systemu Szyna adresowa zawiera adres danej (instrukcji) w pamięci komputera.
Zegar Wszystkie operacje, w które zaangażowany jest procesor i szyna systemowa są synchronizowane przez wewnętrzny zegar o stałej częstotliwości Podstawową jednostką czasu w systemie komputerowym jest cykl zegarowy (maszynowy) Długość cyklu zegarowego to czas potrzebny na jedną pełną zmianę stanu sygnału zegarowego (np. mierzony pomiędzy dwoma kolejnymi zboczami narastającymi) Prędkość zegara wyrażana jest w MHz (GHz) w przypadku zegara działającego z częstotliwością 1 GHz dł. cyklu zegarowego wynosi 1ns Instrukcje maszynowe mogą trwać od 1 cyklu zegarowego do ponad 50 (np. mnożenie w procesorze 8088) Instrukcje wymagające dostępu do pamięci często wymagają pustych cykli zegarowych (stanów oczekiwania) spowodowanych różnicami częstotliwości pracy CPU, szyny i układów pamięci
Cykl wykonania instrukcji Program przed wykonaniem jest ładowany do pamięci Licznik rozkazów wskazuje na następną instrukcję programu Kolejka instrukcji zawiera grupę kolejnych instrukcji przewidzianych do wykonania Wykonanie instrukcji maszynowej wymaga trzech podstawowych kroków: pobrania (fetch) zdekodowania (decode) wykonania (execute) Instrukcje wymagające dostępu do pamięci wymagają dwóch dodatkowych kroków: pobrania argumentu z pamięci zapisania wyniku do pamięci
Kroki cyklu wykonania Pobranie CU pobiera następną instrukcję z kolejki i odpowiednio zwiększa wartość licznika rozkazów (IP) Dekodowanie CU dekoduje instrukcję w celu określenia jej działania, argumenty są wysyłane do ALU razem z sygnałami sterującymi określającymi typ wykonywanej operacji Pobranie argumentów z pamięci krok wykonywany, gdy argument instrukcji znajduje się w pamięci, CU korzysta z operacji odczytu i zapisuje dane w wewnętrznych rejestrach (niedostępnych w modelu programowym) Wykonanie ALU wykonuje instrukcję przy użyciu rejestrów dostępnych w modelu programowym oraz rejestrów wewnętrznych i wysyła wynik do odpowiedniego rejestru i/lub pamięci, ALU ustawia również odpowiednio znaczniki informujące o stanie procesora Zapisanie wyniku do pamięci krok wykonywany wtedy, gdy instrukcja wymaga zapisu wyniku do pamięci, CU stosuje w tym przypadku instrukcję zapisu
loop Sekwencja kroków w pseudokodzie fetch next instruction advance the instruction pointer (IP) decode the instruction if memory operand needed, read value from memory execute the instruction if result is memory operand, write result to memory continue loop
Szyna danych Szyna adresowa Uproszczony schemat blokowy procesora Cache kodu IP Pamięć Dekoder instrukcji Kod Dane Rejestry ALU CU FPU Cache danych
Schemat działania CPU Adres instrukcji kodu wystawiany jest na szynę adresową Sterownik pamięci wystawia na szynę danych instrukcję spod tego adresu Instrukcja trafia do pamięci podręcznej kodu IP określa, która instrukcja będzie wykonana jako następna Dekoder instrukcji analizuje pobraną instrukcję i wysyła odpowiednie (zależące od instrukcji) sygnały do CU CU koordynuje dalsze działanie ALU i FPU Synchronizacja transferu danych pomiędzy odpowiednimi układami odbywa się przy użyciu sygnału zegarowego przesyłanego szyną sterującą (niewidoczną na schemacie)
Cykl odczytu pamięci
Cykl odczytu pamięci opis Cykl 1: adres komórki pamięci, która ma być odczytana wystawiany jest na szynę adresową (ADDR) Cykl 2: linia odczytu (RD) ustawiana w stan niski (0), co sygnalizuje pamięci, że będą z niej odczytywane dane Cykl 3: cykl oczekiwania procesora w tym czasie sterownik pamięci wystawia na szynę danych (DATA) dane odczytane z wybranej komórki pamięci Cykl 4: linia odczytu przechodzi w stan wysoki (1) sygnalizując procesorowi, że na szynie danych są dane gotowe do odczytu
Pamięć podręczna Najtańsza pamięć operacyjna realizowana jako pamięć DRAM jest zbyt wolna w porównaniu z CPU Potrzebna jest szybsza pamięć realizowana jako SRAM w postaci pamięci podręcznej Odczyt instrukcji oraz danych z pamięci podręcznej znacząco przyspiesza czas wykonania instrukcji Jeśli pobierana instrukcja (dana) znajduje się w pamięci podręcznej, to mamy do czynienia z trafieniem pamięci podręcznej (cache hit) W przeciwnym przypadku mówimy o chybieniu pamięci podręcznej (cache miss), które wymaga pobrania instrukcji (danej) z pamięci operacyjnej
Ładowanie i wykonywanie programów Użytkownik wywołuje program z linii poleceń System operacyjny (OS) szuka nazwy programu w bieżącym katalogu, jeśli jej nie znajdzie to szuka w zdefiniowanych katalogach (ścieżki), jeśli i tam nie znajdzie tej nazwy, to sygnalizowany jest błąd Jeśli program zostanie odnaleziony, to OS pobiera podstawowe informacje o pliku programu (m.in. rozmiar pliku i jego fizyczne położenie na dysku) OS określa następny dostępny obszar pamięci i tam ładuje program, przydziela programowi blok pamięci, a informacje o rozmiarze i położeniu plików umieszcza w tablicy deskryptorów, dodatkowo OS może zmienić wartości wskaźników w programie, tak by zawierały adresy danych programu OS rozpoczyna wykonywanie pierwszej instrukcji programu (od tego momentu mówimy już o procesie) i nadaje procesowi numer identyfikacyjny (PID), który posłuży do śledzenia tego procesu w czasie jego wykonywania Proces działa samodzielnie, system operacyjny musi śledzić wykonywane procesy i odpowiadać na żądania dostępu do zasobów (pamięć, pliki dyskowe, urządzenia we\wy) Po zakończeniu proces jest usuwany z pamięci
Wielozadaniowość Wielozadaniowy system operacyjny potrafi wykonywać wiele zadań jednocześnie Zadanie definiowane jest jako proces lub jako wątek Wątek współdzieli pamięć z innymi wątkami tego samego procesu wykonywanymi równocześnie W komputerach z jednym procesorem wielozadaniowość i wielowątkowość realizowane są na zasadzie podziału czasu procesora Proces zwany schedulerem przydziela każdemu aktywnemu procesowi wycinek czasu procesora, w którym wykonywany jest blok instrukcji danego procesu, a po upływie tego czasu sterowanie jest przekazywane do następnego procesu Aby stworzyć iluzję wielozadaniowości przełączanie pomiędzy procesami musi być stosunkowo szybkie. Jednym z popularnych algorytmów jest Round-Robin
Round-Robin Algorytm stosowany w systemach wielozadaniowych Każde zadanie obsługiwane jest przez określony czas po czym jest przerywane i trafia na koniec kolejki, procesor przełączany jest na pierwsze zadanie w kolejce itd. Przykład: 9 zadań, scheduler każdemu przydziela procesor na 100 ms, przełączanie między zadaniami trwa ok 8 ms, zatem jeden pełen cykl zajmuje 972 ms Procesor przed przejściem do nowego zadania musi zapamiętać stan aktualnego zadania Często w wielozadaniowych OS istnieje możliwość nadawania priorytetów zadaniom (im wyższy priorytet, tym dłuższy wycinek czasu procesora) Wywłaszczalność zadań częstą cechą w wielozadaniowych OS
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ