Kompiuterių architektūra ir operacin ė s sistemos

1. Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos Doc. Stasys Maciulevičius Kompiuterių katedra stasys.maciulevicius@ktu.lt

2. Septintosios paskaitos santrauka • Virtualioji atmintis • Adresų transliacija ir jos spartinimas • Magnetiniai diskai • Kompaktiniai diskai ir DVD • Flash atmintis S.Maciulevičius

3. Aštuntosios paskaitos turinys MAGISTRALĖS • Duomenų perdavimo operacijos • Magistralės • Magistralės arbitražas • Magnetinių diskų sąsajos PERTRAUKTYS • Pertraukčių esmė, jų apdorojimas • Pertraukčių kontroleris S.Maciulevičius

4. Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos MAGISTRALĖSir SĄSAJOS S.Maciulevičius

5. Laikas Adresas (1 ciklas) Duomenys (2 ciklas) Adresas Kreipties laikas Duomenys Duomenų perdavimo operacijos • Multipleksuota įrašymo: • Multipleksuota skaitymo: S.Maciulevičius

6. Adresas ir duomenys perduodami skirtingomis magistralėmis Adresas Adresas Duomenys Duomenys Duomenų perdavimo operacijos • Nemultipleksuota įrašymo: • Nemultipleksuota skaitymo: S.Maciulevičius

7. Duomenų perdavimo operacijos • Skaitymas-modifikacija-įrašymas: • Duomenų bloko perdavimas: • Laikas Adresas (1 ciklas) Perskait. duomenys Įrašomi duomenys Adresas Duom.1 Duom.2 Duom.3 Duom.4 S.Maciulevičius

8. Magistralės kompiuteryje • Procesoriaus magistralė. Ją naudoja valdymo schemų rinkinys (chipset) informacijos mainams su procesoriumi. Kai kurie šaltiniai ją vadina sistemos magistrale (FSB - FrontSide Bus) • Sparčioji grafikos magistralė. Taip vadinama didelės spartos magistralė, jungianti grafikos posistemį su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi (anksčiau - AGP – Accelerated Graphics Port, dabar – PCI Express) • Atminties magistralė. Taip vadinama magistralė, jungianti atminties posistemį su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Kai kuriose sistemose tai ta pati procesoriaus magistralė S.Maciulevičius

9. Magistralės kompiuteryje • Lokalinė I/O magistralė. Taip vadinama didelės spartos įvesties ir išvesties magistralė, jungianti sparčius I/O įtaisus su atminties posistemiu, su valdymo schemų rinkiniu (chipset) ir procesoriumi. Dabar populiariausia – PCI • Standartinė I/O magistralė. Tai nedidelės spartos įvesties ir išvesties magistralė, jungianti tokius I/O įtaisus, kaip pelė, klaviatūra. Gera seniems įtaisams prijungti. Populiariausia – USB S.Maciulevičius

10. Sistema su Pentium 4 Procesoriaus Atminties Grafikos Lokal.I/O Stand.I/O S.Maciulevičius

11. PCI magistralė PCI (Peripheral Component Interconnect) • turi specialius mikroschemų rinkinius valdymui (chipsets) • sistemose būna 3-4 PCI lizdai • turi daug tinkamų išplėtimo kortų • dalis Intel sukurtojo “Plug and Play” standarto Pirminis jos variantas (PCI 1.0) – 32 bitų magistralė, dirbanti 33 MHz dažniu; pralaidumas – 133 MB/s Sparčiausias jos variantas (PCI 2.1) – 64 bitų magistralė, dirbanti 66 MHz dažniu; pralaidumas – 533 MB/s S.Maciulevičius

12. AGP magistralė Intel firma PCI 2.1 magistralės pagrindu sukūrė naują grafikos adapterių prijungimo standartą - AGP (Accelerated Graphics Port). Dvigubas perdavimo dažnis užtikrina maksimalią 528 MB/s (AGP 2x - 66 x 4 x 2) duomenų perdavimo spartą. Be pagrindinio (“klasikinio”) režimo dar turime: • AGP 4x(versija 2.0) – 1,05 GB/s • AGP 8x(versija 3.0) – 2,1 GB/s. Pastarasis sudaro galimybę prijungti daugiau nei 1 AGP grafikos įtaisą Nuo 2004 metų ją pakeitė PCI Express S.Maciulevičius

13. AGP magistralė PCI perdavus adresą po kurio laiko pasirodo duomenys. AGP magistralėje pradžioje perduodamas adresų paketas, po kurio laiko pasirodo duomenų paketas. Pagal AGP specifikaciją paketo ilgis gali būti iki 256 užklausų. S.Maciulevičius

14. PCI Express magistralė • PCI architektūros kompiuteriai iki šiol tenkino daugumos vartotojų poreikius, tačiau dabar PCI jau pradeda stabdyti asmeninių kompiuterių plėtrą. Todėl Intel pradėjo gaminti įtaisus, skirtus PCI Express architektūros kompiuteriams • PCI Express magistralė standartu pripažinta 2002 m. rugpjūtį. Nuo tada dauguma VSR (chipsets), procesorių, grafikos plokščių gamintojų rengia naujajam standartui pritaikytus įtaisus S.Maciulevičius

15. PCI Express magistralė • PCI Express įtaisams jungti naudoja dvikrypčią nuoseklią jungtį “taškas-taškas” (point-to-point), kurį vadina lane • PCI Express du įtaisus sujungia kanalu, kurį sudaro viena dvikryptė jungtis (vadinama 1x) arba kelios (2x, 4x, 8x, 12x, 16x ir 32x) dvikryptės jungtys S.Maciulevičius

16. PCI Express magistralė • Nuo PCI ji skiriasi didesne informacijos perdavimo sparta (iki 8 GB/s viena kryptimi), mažesne maitinimo įtampa (0,8 V) ir tuo, kad yra nuosekli, vienu kanalu (X1) kiekviena kryptimi galinti perduoti duomenis 250 MB/s sparta S.Maciulevičius

17. PCI Express magistralė S.Maciulevičius

18. PCI Express magistralė • Manoma, kad PCI Express magistralė karaliaus artimiausius 10 metų. • Magistralės kanalas turi dvi laidininkų poras duomenims abiem kryptimis perduoti. Išorinių įtaisų gamintojams susitarus, visų įtaisų jungtys gali būti tokios pat (pvz., kaip ir USB įtaisų). • Įtaisus prie PC Express galima prijungti neišjungus kompiuterio. S.Maciulevičius

19. USB magistralė USB – nuosekli magistralė, pasižyminti vidutine perdavimo sparta. Ji skirta įvairiems periferiniams įtaisams (klaviatūrai, spausdintuvams, skeneriams, garso sistemoms, ...) prijungti. Pirmoji jos specifikacija paskelbta 1996m. Sisteminėje plokštėje gali būti 2 USB jungtys. Kompiuterio korpuse dažniausiai jas rasime užpakalinėje sienelėje, tačiau dabar jos būna ir kompiuterio priekyje S.Maciulevičius

20. USB magistralė Informaciniai signalai ir maitinimas perduodami 4 linijų kabeliu: • dvi linijos skirtos signalams perduoti nuosekliu kodu; signalų lygiai - <0,3V (0) arba >2,8V (1). • dvi linijos skirtos maitinimui; leistina srovė – 0,5A; ji gali būti pakankama paprastiems įtaisams maitinti. USB 1.1sparta(12 Mbit/s) pakankama tokiems PC periferiniams įtaisams, kaip telefonai, skaitmeninės kameros, klaviatūros, pelė, skaitmeninės vairalazdės (joysticks) skeneriai, spausdintuvai, prijungti S.Maciulevičius

21. USB magistralė USB 2.0 (jos sparta 480 Mbit/s) leidžia prijungti žymiai sudėtingesnius ir didesnio duomenų srauto reikalaujančius įtaisus – didelės skiriamosios gebos video konferencijųkameras, naujos kartos skenerius, spausdintuvus ir sparčius išorinės atminties įtaisus USB 3.0 specifikacija paskelbta 2008 metais. Pagal ją sparta padidinta dar 10 kartų – iki 5 Gbit/s. Tai pusantro karto viršija diskams prijungti naudojamos SATA-300 spartą. Srovė padidinta iki 0,9 A, įvestas energijos taupymo režimas S.Maciulevičius

22. Magistralių parametrai Magistralėms apibūdinti naudojami tokie parametrai: • Magistralės plotis – duomenų linijų skaičius. Pirmosios magistralės buvo 8 bitų, dabar jų plotis pasiekė 64 bitus, o kai kurių – 128 ir daugiau bitų (vidinės). • Magistralės dažnis – maksimali duomenų perdavimo sparta. • Magistralės pralaidumas – maksimalus teorinis duomenų kiekis, perduodamas per laiko vienetą (sekundę). S.Maciulevičius

23. Magistralių parametrai Tiesa, M santrumpose MHz ir MB reiškia skirtingus dydžius. Todėl faktiškai vietoj 133 turėtų būti 127 ir pan. S.Maciulevičius

24. Magistralių parametrai S.Maciulevičius

25. S1 S2 Sk I1 I1 Im Įtaisai magistralėje S.Maciulevičius

26. Užkl. Leid. Magistralės arbitras 0 Magistralės arbitras 1 IN# OUT# IN# OUT# BUSY# Leidimas naudotis mag. Nuoseklus magistralės arbitražas Užkl. Leid. S.Maciulevičius

27. Naud. magis- trale vald. Lygiagretus magistralės arbitražas Užkl. Leid. Užkl. Leid. Užkl. Leid. Magis- tralės arbitras Naud. magis- trale vald. Naud. magis- trale vald. 1 3 2 REQUEST3 REQUEST2 REQUEST1 REQUEST0 GRANT3 GRANT2 GRANT1 GRANT0 S.Maciulevičius

28. Magnetinių diskų sąsajos S.Maciulevičius

29. IDE sąsaja IDE (Integrated Drive Electronics) – vienas iš anksčiausiai (1986) priimtų svarbių PC aparatūros standartų, apibrėžiančių duomenų perdavimą tarp procesoriaus ir standžiojo disko. IDE reiškia, kad kontrolerio funkcijos realizuojamos standžiojo disko įtaise, todėl diskas jungiamas tiesiai prie sistemos magistralės. IDEžinomas ir kitu vardu – ATA (AT Attachment). Pagal IDE specifikaciją galima prijungti ne daugiau kaip du diskus, kurių kiekvieno talpa siekia 528MB (1986 atrodė, kad to pakaks). S.Maciulevičius

30. EIDE sąsaja EIDE (Enhanced IDE) standartas buvo priimtas 1993 metais, siekiant peržengti IDE ribojimus. Kiekviename iš 2 kanalų gali dirbti du diskai - vedantysis (master) ir vedamasis (slave). EIDE žymiai išplėtė ir disko talpos ribą – iki 8,4 GB, o vėliau – iki 137 GB. Diskuose imta naudoti diskų kešus, kurie priima ar perduoda duomenis blokais (paprastai 4 KB). Kad būtų galima prijungti ne tik diskus (ir CD-ROM), įvesta ATAPI (AT Attachment Packet Interface) specifikacija, kurioje yra specialios komandos, reikalingos CD-ROM. ATAPI naudoja ir CRC. S.Maciulevičius

31. Serial ATA sąsaja Tai – nuoseklioji sąsaja. SATA (Serial ATA )sparta – 150 MB/s ir daugiau. Jos privalumas – ne tik didesnė sparta, bet ir ploni kabeliai (lygiagrečiųjų sąsajų kabeliuose 40 ir net 80 laidininkų!!!). Šių kabelių ilgis gali siekti 1 m, tuo tarpu kai lygiagrečiųjų – iki 40 cm. SATA II sparta – 300 MB/s S.Maciulevičius

32. SATA ir eSATA Netrukus buvo paskelbta spartesnės SATA specifikacija - SATA 3.0 Gb/s, o 2008 metais SATA 6.0 Gb/s specifikacijos juodraštis; standartas išleistas 2009 metais Plintant išoriniams atminties įtaisams, 2004 m. paskelbtas eSATA standartas, numatęs kiek kitokius nei SATA įtampų lygius, didesnį kabelių ilgį (iki 2 m.) S.Maciulevičius

33. SCSI sąsaja Per SCSI galima prijungti iki 8 įrenginių. Vienas iš šių įrenginių – adapterio plokštė, įstatyta kompiuteryje; 7 likusieji – periferiniai  įrenginiai. Prie vieno adapterio galima prijungti standžiųjų diskų kaupiklius, CD-ROM  kaupiklius, skenerius ir kitus įrenginius (iš viso ne daugiau kaip 7). Maksimali sparta – 320 MB/s S.Maciulevičius

34. Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos PERTRAUKTYS S.Maciulevičius

35. Pagrindinėprograma Kompiuteris Pertraukties signalai Pertraukiančios (pertrauktį apdorojančios) programos Aplinka Pertrauktys S.Maciulevičius

36. Pertrauktys • Priežastys: • išorinės • vidinės • Procedūra: • pertraukties signalo priėmimas • pertraukties atpažinimas • būsenos įsiminimas • pertrauktį apdorojančios programos vykdymas • būsenos atstatymas S.Maciulevičius

37. Pertraukčių tipai • Išorinės (asinchroniškos procesui): • techniniai gedimai (įtampa, …) • laikrodis • kiti procesai ar procesoriai • procesai išoriniuose įtaisuose • vartotojas, operatorius • Vidinės (sinchroniškos procesui): • adresavimo klaidos • operandų klaidos (/0, …) • operacijos klaidos (perpildymas, …) • negalima operacija • režimo pakeitimas S.Maciulevičius

38. Pertraukčių tipai • Programinės (sinchroniškos procesui): • programinės (pertr. sistemai tikrinti) • derinimo (po kiekvienos komandos - analizė) • Vykdymo variantai: • po komandos (dažniausiai) • komandoje (rečiau): • kai negalima užbaigti (puslapio klaida) • ilgai trunkančioms komandoms S.Maciulevičius

39. Ar dažnai būna pertrauktys? VAX 8800 kompiuterio, kuriame buvo naudojamas laiko skirstymo režimas, darbo analizė parodė: S.Maciulevičius

40. Pagr.progr. Pertr. sign. Pertr. apdor. Reakcijos Perjungimo laikas laikas Pertrauktys • Parametrai: • įėjimo signalų skaičius • reakcijos laikas • perjungimo laikas • gylis S.Maciulevičius

41. 2 3 Užklausos Vieno lygio sistema Daugelio lygių sistema 1 1 2 3 3 2 2 1 1 Pertraukčių lygiai ir aptarnavimas S.Maciulevičius

42. Pertraukties apdorojimas • Apdorojimo procedūra: • pertraukties signalo priėmimas • pertraukties atpažinimas • būsenos įsiminimas • pertrauktį apdorojančios programos vykdymas • būsenos atstatymas S.Maciulevičius

43. RD WR A0 CS CAS0 CAS1 CAS2 SP/EN Pertraukčių kontroleris (Intel) INTA INT Duom.magistr.buferis Valdymo logika D7 - D0 Skait./ Įrašymologika IR0 IR1 IR2 IR3 IR4 IR5 IR6 IR7 Aptarn.pertr.regist- ras (ISR) Prioritetoschema Pertr. užklaus.regist-ras (IRR) Kaskadinio jungimo valdymas Pertr.kaukės registras (IMR) S.Maciulevičius

44. Pertraukčių aptarnavimo valdymas • Procesorius gali nurodyti, kaip pertraukčių kontroleris aptranaus pertrauktis: • Fiksuoti prioritetai – pertraukčių užklausos aptarnaujamos pagal įėjimų eilės tvarką (nuo IR0 iki IR7; aukščiausias – IR0); šis režimas nustatomas automatiškai • Cikliniai prioritetai – aptarnautas įtaisas gauna žemiausią prioritetą toje grupėje • Speciali kaukė – kai kurių įtaisų pertraukčių užklausos gali būti ignoruojamos. S.Maciulevičius

45. Adreso magistr. Duomenų magistr. Adreso selektorius ĮP CS A0 INT D7-D0 WR RD 8259ACAS INTA IR0 IR7 IOWC IORC INTA Kaskadiniam jungimui Pertraukčių įėjimai Pertraukčių kontroleris S.Maciulevičius

46. IR0 IR1 INT IR2 … IR7 CAS Išor. įtaisas 10 Išor. įtaisas 11 Vedantysis 8259A Procesorius Vedamasis 8259A NMI INTR Išor. įtaisas 00 IR0 IR1 INT IR2 IR3 IR4 IR5 IR6 IR7 CAS Išor. įtaisas15 Išor. įtaisas 02 Išor. įtaisas 01 Išor. įtaisas 03 Išor. įtaisas 09 Pertraukčių kontrolerio naudojimas PC/XT kompiuteriuose buvo tik viena mikroschema 8259A PC/AT kompiuteriuose buvo 2 mikroschemos 8259A, sujungtos tokiu būdu: Šiuolaikiniuose kompiuteriuose pertraukčių kontroleris įeina į valdymo schemų rinkinį (chipset) S.Maciulevičius

47. Pertraukčių vektoriai • Procesorius gali nurodyti, kaip pertraukčių kontroleris aptranaus pertrauktis: • Fiksuoti prioritetai – pertraukčių užklausos aptarnaujamos pagal įėjimų eilės tvarką (nuo IR0 iki IR7; aukščiausias – IR0); šis režimas nustatomas automatiškai • Cikliniai prioritetai – aptarnautas įtaisas gauna žemiausią prioritetą toje grupėje • Speciali kaukė – kai kurių įtaisų pertraukčių užklausos gali būti ignoruojamos. S.Maciulevičius

48. x86 pertrauktys ir išskirtinės situacijos S.Maciulevičius

49. Pertrauktys ir išskirtinės situacijos Pertraukties (vektoriaus) numeris – 8 bitų kodas, identifikuojantis pertraukties vektorių. Pertraukties vektorius – pertraukčių apdorojimo programos adresas arba 8 baitų įrašas pertraukčių deskriptorių lentelėje IDT, kuris nurodo pertrauktį aptarnaujančią programą (paprogramę). 0-31 numeriais pažymėtas pertrauktis atpažįsta CPU, o 32-255 numeriais pažymėtos pertrauktys atpažįstamos tik programiškai S.Maciulevičius

50. Kitą kartą: • Valdymo schemų rinkiniai • Įvesties ir išvesties problemos • Programa valdomiduomenų mainai • Tiesioginiai duomenų mainai • Nešiojami kompiuteriai • Nešiojamų kompiuterių maitinimas • Nešiojamų kompiuterių platformos S.Maciulevičius