PPT

Poznamky - letny semester

Formát: PPT
Veľkosť: 939 kB
Pridané: 2008
Stiahnutí: 617
Hodnotenie: 5,0/5

Preber si túto poznámku so svojou AI

Skopíruj pripravený podklad a vlož ho do ChatGPT, Claude alebo inej AI — bude ťa učiť alebo skúšať len z tejto poznámky.

Nauč ma to Vyskúšaj ma

Otvoriť AI: ChatGPT · Claude · Gemini

Náhľad poznámky

Princípy počítačov

Letný semester

2003 / 2004

Doc. RNDr.Daniel Olejár, CSc.

RNDr. Richard Ostertág

Obmedzenia na použitie týchto

prezentácií

Tieto prezentácie vytvorili doc. RNDr. Daniel Olejár, PhD., a RNDr.

Richard Ostertág na základe informácií uvedených v zozname literatúry

a internetových zdrojov pre prednášku z Princípov počítačov pre 1.

ročník odboru Informatika na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky

Univerzity Komenského v Bratislave. Prezentácie sú vystavené na

webovskej stránke Katedry informatiky FMFI UK, priebežne upravované

a aktualizované. Študenti si môžu prezentácie stiahnuť a vytlačiť pre

vlastnú potrebu. Akékoľvek šírenie, zverejňovanie týchto prezentácií

alebo ich častí, ich používanie na iné ako na študijné účely,

neautorizovaná modifikácia a iné manipulácie s textami a obrazovým

materiálom, ktoré prezentácie obsahujú, sú zakázané a autori v prípade

porušenia týchto pravidiel odstránia prezentácie z voľne dostupnej

webovej stránky a budú uplatňovať svoje práva v zmysle autorského

zákona.

Cieľ prednášky

• Oboznámiť poslucháčov s tým, ako principiálne

funguje počítač

• Na čo to je dobré:

– Poznanie možností a obmedzení súčasných počítačov

a vybudovanie vedomostí potrebných pre pochopenie

budúcich počítačov

– Pochopenie zmyslu a vzájomných vzťahov ďalších

predmetov (operačné systémy, siete,

programovanie,...)

– Doplnenie neúplných poznatkov a neznámych pojmov

(všeobecné informatické vzdelanie)

Stručný obsah prednášky 1/2

Úvod (čo je počítač, počítač ako systém pozostávajúci

z niekoľkých virtuálnych strojov, vzťahy medzi

jednotlivými virtuálnymi strojmi)

Základná organizácia počítača von Neumannovského

typu a princípy jeho činnosti (CPU, pamäť, I/O,

zbernice, inštrukcie a operácie, vykonávanie

programov, RTL)

Zjednodušený model počítača (Simplified Instructional

Computer, SIC)

Central Processing Unit, CPU, jej štruktúra a funkcie

Mikroprogramovanie (princíp, mikroprogramovaná

CLU, formáty mikroinštrukcií, nanoprogramovanie)

RISC a CISC (zdôvodnenie, princípy a porovnanie)

Stručný obsah prednášky 2/2

Spracovanie vstupu/výstupu (I/O systém, riadenie I/O,

prístup k I/O portom, DMA, princípy operácií prenosu

údajov, pripojenie periférnych zariadení, rozhrania, I/O

procesory)

Pamäť (funkcia pamäte, operačná a pomocná pamäť,

parametre pamätí, zásobníková pamäť, modulárna

pamäť, asociatívna pamäť, cache, virtuálna pamäť,

technológie realizácie pamätí)

Zbernice (funkcia, princíp fungovania, typy,

prideľovanie zbernice)

10. Paralelné počítače (dôvody pre paralelizmus,

klasifikácia paralelených počítačov, aplikácie

paralelizmu: pipelining, vektorové počítače,

multiprogramming, multiprocesoring)

11. Futuristické koncepty

Ako študovať princípy počítačov?

• Na prednáškach

– Podstatné informácie (princípy, základné pojmy)
– Doplňujúce a ilustrujúce informácie (konkrétne systémy,

technické parametre)

– Jednoduché (ale podstatné) poznatky budú v textoch, ale

nebudú sa prednášať

– Explicitne povieme, čo je potrebné doštudovať (a odkiaľ)

• Texty prednášok budú na webe (a časom možno aj

doplňujúce materiály k jednotlivým témam)

• Rozširujúce informácie (literatúra, Internet)
• Skúšajú sa základné (nie rozširujúce) znalosti

Literatúra

1. Langholz
2. L.H.Pollard Computer Design and Architecture, Prentice

Hall 1990

3. W.D.Murray Computer and Digital System Architecture,

Prentice Hall,1990

4. J.L.Hennessy, D.A.Patterson Computer Architecture a

Quantitative Approach, Morgan Kaufann Publishers,

1990

5. A.S.Tanenbaum Structured Computer Organization, 3-

rd ed.,Prentice Hall, 1990

6. F.G.Soltis Systém AS/400 zevnitř, Computer Press

1997

7. Internetové zdroje a firemná literatúra

1. Úvod

• Počítač = zariadenie na spracovanie informácie

– Informácia je zapísaná v podobe „textu“ nad nejakou abecedou

(symbolicky kódovaná)

• Spracovanie prebieha na základe presne stanoveného

postupu (programu) a dá sa popísať ako postupnosť

transformácií vstupnej informácie na výstupnú

• V súčasných počítačoch transformácie v konečnom

dôsledku realizujú elektrické (logické) obvody

• Zadať vstup tak, aby mohol byť priamo spracovaný

výkonnými obvodmi je náročné (človek a logický obvod

používajú veľmi rozdielne jazyky)

• Preto sa medzi používateľa a výkonné obvody „vkladajú“

ďalšie úrovne, umožňujúce postupne transformovať

úlohu do podoby zrozumiteľnej výkonným obvodom

1.1. Počítač ako systém

virtuálnych strojov 1/2

• Formulácia problému: človek A formuluje úlohu v jazyku L

1. Ak

systém B „rozumie“ jazyku L

1, môže úlohu priamo riešiť. Ak však B

„rozumie“ len jazyku L

2, úlohu v jazyku L1 treba preformulovať do

jazyka L

• Dva prístupy: preklad (celý program v L

1 sa preloží do jazyka L2 a

potom vykoná) a interpretácia (jednotlivé inštrukcie programu v L

sa priebežne prekladajú do L

2 a vykonávajú)

• Medzistupňov môže byť viac: L

1 - L2 - L3 - ... - Ln

• Na ľubovoľný stupeň (k) sa možno pozerať ako na samostatný

virtuálny stroj, ktorý transformuje vstup v jazyku L

k na výstup v

jazyku L

k+1

• Tento prístup umožňuje sústrediť sa na riešenie na danom stupni a

abstrahovať od vyšších a nižších stupňov: problém sa dá lepšie

štrukturalizovať a (často potom aj) jednoduchšie riešiť

1.1. Počítač ako systém

virtuálnych strojov 2/2

•

Pôvodné počítače – 2 úrovne

(človek, výkonný hardware)

•

Súčasné počítače majú (Tanenbaum) 6 a viac úrovní:

Digital logic level (úroveň logických obvodov)

Microprogramming level (mikroprogramová úroveň)

Conventional machine level

Operating system machine level (úroveň operačného

systému)

Assembly language level

(úroveň jazyka symbolických adries, assemblera)

Problem-oriented language level

(úroveň vyšších programovacích jazykov)

1.2. Digital logic level

(úroveň logických obvodov)

• Logické obvody sú skonštruované z hradiel (gates), fyzikálnych

systémov schopných realizovať elementárne logické funkcie

• Vstupy a výstupy logických obvodov sú reprezentované pomocou

elektrických signálov

• Priamo vykonateľný program v podobe textovo zapísanej

postupnosti príkazov pre logické obvody neexistuje

• Logické obvody však pomocou hardvérovo realizovanej riadiacej

jednotky môžu vykonávať aj postupnosť transformácií (informácie) –

napr. násobenie, delenie;

• Štúdium logických obvodov bolo náplňou zimného semestra
• Bolo by možné ísť ešte o úroveň nižššie – na úroveň fyzikálnych

procesov prebiehajúcich v logických obvodoch

• Budeme sa zaoberať virtuálnymi strojmi nad úrovňou logických

obvodov

1.3. Microprogramming level

(mikroprogramová úroveň)

• Program (mikroprogram), ktorého úlohou je interpretovať

inštrukcie 3. úrovne

• Mikroinštrukcie sú priamo vykonateľné pomocou

logických obvodov (mikroinštrukcii zodpovedá
mikrooperácia)

• Súbor mikroinštrukcií = „strojový kód“ počítača
• Existujú počítače, ktoré nemajú mikroprogramovú

úroveň (RISC)

1.4. Conventional machine level

• Zle definovaná úroveň
• Hybridná úroveň (inštrukcie jazyka tejto úrovne môžu byť aj na

úrovni mikroprogramu aj operačného systému)

• Aj nové inštrukcie
• Odlišná organizácia pamäte
• Možnosť súčasného behu viacerých programov
• Inštrukcie tejto úrovne sa interpretujú pomocou mikroprogramu

1.5. Operating system machine level

(úroveň operačného systému)

• Principiálny rozdiel oproti predchádzajúcim trom

úrovniam

• Tri najnižšie úrovne nie sú určené pre programátorov,

ale pre systémových programátorov (špecialisti na

implementáciu virtuálnych strojov)

• Jazyky predchádzajúcich úrovní boli binárne
• Pôvodne mal operačný systém nahradiť činnosť

operátora, neskôr sa ukázalo, že na tejto úrovni sa dajú

riešiť aj iné problémy (time sharing, práca s pamäťou a

inými zdrojmi)

1.6. úroveň jazyka assemblera

• Na tejto úrovni sa používa jazyk

symbolických adries

• Program v jazyku symbolických adries sa

preloží pomocou assemblera do jazyka
nižšej úrovne

1.7. Problem-oriented language level

(úroveň vyšších programovacích jazykov)

• Programovacie jazyky vyššej úrpvne ako

napríklad:

– C++, Pascal, Basic, Java, Smalltalk

• Prekladajú sa do jazykov nižšej úrovne

alebo interpretujú

Ktorými úrovňami sa budeme zaoberať?

• Na tejto prednáške sa budem zaoberať dvoma úrovňami:

– Mikroprogramovou
– Úrovňou konvenčného stroja

• Úroveň digitálnych obvodov sme preberali v prvom

semestri

• Operačným systémom, programovaniu a aplikačnému

programovaniu sú venované samostatné prednášky

• Úroveň jazyka assemblera – asi na prednáške z

kompilátorov alebo operačných systémov

2. Základná organizácia počítača von

Neumannovského typu

•

Digitálny počítač s uloženým programom spracováva

údaje na základe usporiadanej postupnosti inštrukcií

–

Hardvér

–

Softvér

•

Základné časti počítača (Hardvér)

–

Centrálny procesor, central processing unit, CPU (riadi činnosť

počítača a vykonáva inštrukcie)

–

Pamäť, memory (ukladanie a uchovávanie informácie – aj

programu aj údajov)

–

vstupno/výstupné zariadenia, Input/output, I/O (umožňujú

počítaču komunikovať s prídavnými zariadeniami a

prostredníctvom nich s okolím – klávesnica, monitor, tlačiareň, ...)

–

Zbernice, buses (spájajú jednotlivé subsystémy počítača)

2. Základná organizácia počítača von

Neumannovského typu - schéma

CPU

Pamäť

I/O

zbernica

2.1. Inštrukcie počítača

• Budeme skúmať počítač na úrovni mikroprogramovej a

konvenčného stroja

• Organizácia počítača je určená množinou inštrukcií, ktoré počítač

vykonáva

• Inštrukcia = binárny vektor, ktorý slúži na označenie operácie
• Všetky inštrukcie, ktoré je schopný počítač vykonať = inštrukčný

súbor počítača

• Rozdelenie inštrukcie na časti rozličného významu = formát

inštrukcie

• Časti inštrukcie, ktoré majú istý význam = polia

– Operačné pole (opcode): určuje operáciu, ktorá sa ma vykonať
– Explicitný, implicitný operand
– Adresné pole, adresný spôsob

Reg.

Addr.

mode

Addr.

2.1. Spracovanie inštrukcie (1)

• Inštrukcia je uložená v pamäti počítača
• Vykonanie operácie, ktorú inštrukcia určuje, sa nedá

uskutočniť v jednom takte

– Napr. sa musí preniesť z pamäte do registra

• Počítač vykonáva inštrukcie pomocou postupnosti

elementárnych operácií, ktoré sa nazývajú

mikrooperácie

• Mikrooperácie sú určené mikroinštrukciami
• Mikrooperácie sa dajú vykonať v jednom takte
• Postupnosti mikroinštrukcií sa nazývajú

mikroprogramami (alebo CPU cyklami)

• Pri spracovaní inštrukcie sa uplatňujú nasledujúce CPU

cykly:

2.1. Spracovanie inštrukcie (1)

• Pri spracovaní inštrukcie sa uplatňujú nasledujúce CPU

cykly:

– Fetch (získavanie inštrukcie z pamäte)
– Address (dekódovanie adresy operandu)
– Translation
– Execute (vykonanie inštrukcie)
– Interrupt (ošetrenie prerušenia)

• Mikrooperácie spôsobujú prenos údajov medzi

registrami, preto ich výhodne možno popisovať pomocou
RTL (register transfer language), ktorý sme používali pri
návrhu digitálnych systémov

2.2. Register Transfer Language (1/4)

•

preniesť a posunúť informáciu uloženú v pamäťových členoch

•

Číslovanie bitov v registri je typu Big Endian: 0,1,...,n-1

•

Zápis do registra

B := (A)
B

i := (Ai ); i= 0,1,...,n-1

•

Môžu sa prenášať aj časti registrov (polia)

PC := IR[AD]

•

Ak časť registra nemá meno, tak

R1[0..3] := (X)

•

Registrom sa dajú priraďovať konštanty

L := 5

2.2. Register Transfer Language (2/4)

• Aritmetické operácie (kvôli jednoduchosti výsledok je uložený v

registri, ktorého obsah je aj operandom operácie)

A3 := (A1) + (A2); súčet
A := (A) + 1;

inkrementovanie obsahu

A := (A) - 1;

dekrementovanie

A := (~A);

logický doplnok

A := (~A) + 1;

binárny doplnok

A := (A) +(~B) + 1;

odčítanie A-B

• Aby sme ošetrili pretečenie použijeme 1-bitový register

VA3 := (A1) + (A2);

2.2. Register Transfer Language (3/4)

• Poznámky.

– Operácie násobenia a delenia sa nedajú vykonať v jednom takte, a

preto sa medzi základné mikroinštrukcie RTL nezaraďujú

– Kvôli zvýšeniu čitateľnosti mikroprogramu sa pridávajú komentáre,

oddelené bodkočiarkou od príslušnej mikroinštrukcie

• Logické operácie

C := (A) AND (B);

logický súčin

C := (A) OR (B);

logický súčet

• Operácie posunu

A := SL(A);

posun doľava

A := SR(A);

posun doprava

A := LCIR(A);

cyklický posun doľava

A := RCIR(A);

cyklický posun doprava

2.2. Register Transfer Language (4/4)

• Operácie presunu informácie medzi registrami a pamäťou (i-te

pamäťové miesto označíme M[i])

• Čítanie z pamäte

B := (M[(A)]); obsah pamäťového miesta, ktorého adresa

je v registri A sa zapíše do registra B

• Zápis do pamäte

M[(A)] := (B);

do pamäťového miesta, ktorého adresa je v

registri A sa zapíše obsah registra B

• Vykonávanie operácií sa niekedy viaže na splnenie nejakých

podmienok:

– Logické podmienky: IF ... THEN ...
– Riadiace podmienky = logické funkcie definované na Booleovských

premenných, ktoré riadia vstupy do registrov, napr.

0(c1+c2): X := (~A) + 1

3. Zjednodušený model počítača

• Fungovanie počítača demonštrujeme na zjednodušenom

príklade (modeli) počítača

• Čím je určený model počítača:

– Veľkosť pamäte
– Veľkosť slova
– Registre
– Formát údajov
– Formát inštrukcií
– Spôsoby adresovania
– Inštrukčný súbor
– Obmedzenia na I/O

3.1. SIC (Simplified Instructional Computer)

• Štruktúra SIC:

– CPU
– Pamäť
– Aspoň jedno I/O zariadenie

• Pamäť:

– 215 slov
– Slovo dĺžky 24 bitov
– Prístup do pamäte cez registre MAR a MBR
– Zápis:

M[(MAR)]:=(MBR)

– čítanie:

MBR:=(M[(MAR)])

3.1. Registre SIC

Bitov

Popis

accumulator

index register

program counter (adresa naled.

inštrukcie)

linkage register (návratová adresa

podprog.)

instruction register

MBR

buffer pamäte

MAR

status word

counter (generuje signály: t

0, t1, t2, t3)

INT

interrupt flag

execute cycle flag

fetch cycle flag

start/stop flag (spúšťa C)

3.1.Pamäť a registre SIC

• Registre, do ktorých sa ukladá obsah pamäťového miesta majú

dĺžku 24 bitov (A, IR, MBR)

• Registre, ktoré môžu obsahovať adresu pamäťového miesta, majú

dĺžku 15 bitov (MAR, X, PC, L)

• Na zápis stavu SIC po vykonaní inštrukcie stačí 11 bitový SW
• C generuje hodinové signály, ktoré určujú takty SIC
• Pamäť je asynchrónna RAM (hodnoty MAR a MBR musia byť

počas zápisu stabilné)

• Zápis do pamäte a čítanie z pamäte trvá kratšie ako jeden takt
• Vstup a výstup do/z CPU: 1 byte/takt;

výnimka – prenos údajov z/do pamäte

• Prenos z/do 8 najpravejších bitov

akumulátora A na/z I/O zariadenia

• Každé zariadenie SIC má 8 bitový kód

3.1. Údaje a inštrukcie SIC

• Údaje SIC:

– Celé čísla - 24 bitové, binárny doplnkový kód
– Znaky - 8 bitové, ASCII kód

• Formát inštrukcií SIC-u: (číslovanie bitov)

Adresa

16 15

14 0

3.1. Inštrukcie SIC

• OP = operačný kód určujúci inštrukciu, dĺžka poľa = 8 bitov
• IX = flag (príznak) spôsobu adresovania
• Adresa = adresa operandu, 15 bitov

– Ak IX = 0, priame adresovanie, operand je uložený v M[AD]
– Ak IX = 1, nepriame (indexové) adresovanie,

operand je uložený v M[AD+(X)]

• Uvažuje sa len jeden operand, druhým je implicitne obsah

akumulátora A

3.2. Súbor inštrukcií SIC (1/4)

Inštrukcia Skratka

Popis (skoro v RTL)

Add

ADD m

A:=(A)+(m)

And

AND m

A:=(A) AND (m)

Compare COMP m

(A):(m); CC:=výsledok

Jump

J m

PC:=m

Jump Equal

JEQ m

PC:=m if CC = “=“

Jump Greater T.JGT m

PC:=m if CC = “>“

Jump Less T.

JLT m

PC:=m if CC = “<“

Jump Subrout.

JSUB m

L:=(PC), PC:=m

Load A

LDA m

A:=(m)

Load L

LDL m

L:=(m)

Load X

LDX m

X:=(m)

OR m

A:=(A) OR (m)

3.2. Súbor inštrukcií SIC (2/4)

Inštrukcia

Skratka

Popis (skoro v RTL)

Read device

RD m

A[0..7]:=byte
from device (m)

Return Subroutine RSUB m

PC:=(L)

Store A

STA m

m:= (A)

Store L

STL m

m:= (L)

Store SW

STSW m

m:= (SW)

Store X

STX m

m:= (X)

Subtract

SUB m

A:=(A)-(m)

Test device

TD m

test device (m)
CC:=result

Write device

WD m

device(m):=(A[0..7])

Interrupt Return

IRT

PC:=(M[0])

SW[MASK]:=0

3.2. Súbor inštrukcií SIC (3/4)

Poznámky:

– m predstavuje adresu v pamäti
– (m) je obsah pamäťového miesta číslo m
– M[0] je prvé pamäťové miesto
– JSUB: prechod na vykonávanie podprogramu

• Ukladá sa návratová adresa

L:=(PC)

• Nastavuje sa začiatok podprogramu

PC:= m

– RSUB: návrat z podprogramu

• Nastaví sa pôvodná hodnota PC

PC:=(L)

– TD sa používa na testovanie I/O zariadenia predtým, ako sa z

neho bude čítať, alebo sa naň bude zapisovať. Výsledok
testovania sa zapíše do dvojbitového poľa CC registra SW.

3.2. Súbor inštrukcií SIC (4/4)

– CC (condition code) sa používa aj pri porovnaniach čísel

(inštrukcia COMP), preto jeho 2 bity reprezentujú 3 hodnoty

(<,=,>). Výsledok testovania zariadenia je:

• Zariadenie je pripravené

• Zariadenie je obsadené

• Zariadenie nie je v prevádzke

– IRT (interrupt return) túto inštrukciu využíva program na

ošetrenie prerušení (interrupt handler) na návrat na tú inštrukciu

programu, ktorú CPU spracovával v okamihu, keď došlo k

prerušeniu. Okrem obnovenia pôvodného obsahu PC sa

vynuluje príznakový bit prerušenia (MASK) v SW.

– Inštrukcia IRT je prístupná len pre systémový softvér a nie pre

programy v jazyku assembler

3.2. Súbor inštrukcií SIC

použitie TD

Nasledujúci program demonštruje použitie TD. Program

• Neustále testuje, či je zariadenie x pripravené.

• Ak je, prečíta z neho 1 byte a skončí,

• Ak je zariadenie x vypnuté alebo nefunkčné, vyhlási chybu

TEST

“x”

; testuje zariadenie x

JEQ

TEST

; ak je obsadené, testuj

znova

JGT

ERROR

; chyba – ohlási to

“x”

; načítaj

END

; ukončí činnosť

ERROR

JSUB

EROUTINE

; vyhlási chybu

END

STOP

3.3. SIC – Timing & Control (1/9)

• Všetky činnosti prebiehajúce v SIC trvajú nejaký čas.

Predpokladáme, že čas je diskrétny a najmenšia jednotka času je 1

takt.

• CPU SIC vykonáva činnosť na základe spracovania postupnosti

inštrukcií

• Spracovanie inštrukcie pozostáva z nasledujúcich činností:

– Prečítanie inštrukcie z pamäte a uloženie do registra (fetch)
– Vykonanie inštrukcie (execute)

• Počas spracovávania inštrukcie môže dôjsť k žiadosti o

prerušenie: vtedy CPU musí

– Zaregistrovať žiadosť o prerušenie
– Dokončiť začatú činnosť
– Uchovať informácie potrebné pre pokračovanie v činnosti po návrate z

prerušenia

– Odovzdať riadenie interrupt handleru

3.3. SIC – Timing & Control (2/9)

• Činnosť počítača prebieha v cykloch

• Cyklus je štandardný mikroprogram

• Cykly SIC

– Fetch

– Execute

– Interrupt

• SIC má jednoduché adresovanie a inštrukčný súbor a preto

nepotrebuje cykly address a translate

• CPU obsahuje 2-bitový register C (counter), ktorý sa v každom

takte inkrementuje (mod 4)

• Counter C generuje postupnosť riadiacich signálov

0,t1,t2,t3:

00,01,10,11

• Riadiace signály countra C sa používajú na zaistenie správneho

poradia vykonávania mikroinštrukcií

• Counter je ovládaný S-flagom. Ak S=1, C sa v každom takte

inkrementuje, ak S=0, C je zablokovaný.

3.3. SIC – Timing & Control (3/9)

Fetch cyklus

•

Všetky cykly SIC sa dajú riadiť pomocou riadiacich signálov C

•

Na rozlíšenie jednotlivých cyklov sa používajú E, F flagy:

cyklus

execute

fetch

0 0

interrupt

nepoužitý

•

Cyklus FETCH

FE’t

MAR:=(PC)

FE’t

MBR:=(M[(MAR)])
PC:=(PC)+1

FE’t

IR:=(MBR)

FE’t

If IR[IX]=1 then MAR:=(IR[AD])+(X)

FE’t

If IR[IX]=0 then MAR:=(IR[AD])

FE’t

E:=1
F:=0

3.3. SIC – Timing & Control (4/9)

Interrupt cyklus

• Počas vykonávania programu môže dôjsť k udalosti,

ktorá si vyžiada jeho prerušenie

• Čo sa bude diať:

– Žiadosť o prerušenie (CPU, I/O zariadenie) signalizuje

nastavením registra INT:=1

– Uloží sa obsah PC na stanovené miesto v pamäti (M[0])
– Odovzdá sa riadenie interrupt handleru (PC:= (M[1]))
– Nastavia sa príznakové bity v SW

• MASK:=1 (aby nedochádzalo k vnoreným prerušeniam)
• Zariadenie, ktoré iniciovalo prerušenie nastaví pole ICODE na

hodnotu, ktorá špecifikuje dôvod prerušenia

3.3. SIC – Timing & Control (5/9)

Interrupt cyklus

Cyklus INTERRUPT

F’E’t

MBR[AD]:=(PC)

INT:=0
SW[MASK]:=1

F’E’t

MAR:=0

PC:=1

F’E’t

M[(MAR)]:=(MBR)

F’E’t

F:=1

Status Word (SW) register (11 bitový)

MASK

ICODE

10 9 8 7 … 0

3.3. SIC – Timing & Control (6/9)

Execute cyklus

• Každý výkonný cyklus je jedinečný, lebo sa spracovávajú rozličné

inštrukcie

• K riadiacim signálom pridáme identifikátor inštrukcie, ktorá sa v

danom execute cykle vykonáva: P

• Výkonný cyklus

– Na začiatku má k dispozícii adresu operandu
– Musí vykonať príslušnú inštrukciu
– V poslednom kroku nastaví buď fetch alebo interrupt cyklus:

F’Et

E:=0
If (SW[MASK] OR INT=0) then F:=1

3.3. SIC – Timing & Control (7/9)

Execute cycles ADD, J

ADD
P

0F’Et0:

MBR:=(M[MAR])

0F’Et1:

A:=(A)+(MBR)

0F’Et2:

0F’Et3:

E:=0
If (SW[MASK] OR INT = 0) then F:=1

J
P

3F’Et0:

PC:=(IR[AD])

3F’Et1:

3F’Et2:

3F’Et3:

E:=0
If (SW[MASK] OR INT = 0) then F:=1

3.3. SIC – Timing & Control (8/9)

Execute cycles LDL, JSUB

LDL
P

9F’Et0:

MBR:=(M[(MAR)])

9F’Et1:

L:=(MBR[AD])

9F’Et2:

9F’Et3:

E:=0
If (SW[MASK] OR INT = 0) then F:=1

JSUB
P

7F’Et0:

MBR:=(M[(MAR)])

7F’Et1:

L:=(PC)

7F’Et2:

PC:=(MBR[AD])

7F’Et3:

E:=0
If (SW[MASK] OR INT = 0) then F:=1

3.3. SIC – Timing & Control (9/9)

Execute cycle RSUB

RSUB
P

13F’Et0:

PC:=(L)

13F’Et1:

13F’Et2

13F’Et3:

E:=0

If (SW[MASK] OR INT = 0) then F:=1

3.4. Funkcionálne jednotky SIC

• Slúžia na vykonávanie operácií potrebných na vykonávanie

niektorých inštrukcií:

– Sčítačka pre ADD
– Sčítačka pre indexové adresovanie
– Porovnávací obvod
– AND
– OR

• Vstupy funkcionálnych jednotiek: MBR, A
• Výstupy funkcionálnych jednotiek: MAR, A

3.5. Štart systému SIC

Startup SIC
• S:=1, F:=1, E:=0, C:=0
• SW[ICODE]=“startup”
• PC:=1

Manuálny start/stop switch:
• Nastavenie 1: spustí sa startup
• Nastavenie 0: S sa nastaví na 0

3.6. Trasovanie inštrukcií SIC

počiatočný stav (1/4)

•

Popis CPU cyklov, riadiaceho a časového mechanizmu,

výkonných obvodov určuje architektúru počítača SIC

•

Pozrieme sa na vykonávanie fragmentu programu

STA 0 19, ADD 1 20, ...

•

Stav pamäte a registrov pred vykonaním STA 0 19:

STA 0 19

(C)=11

(F)=1

(E)=0

ADD 1 20

(PC)=9

(X)=5

(INT)=0

…

(A)=101

(MAR)=19

(MBR)=

101

+101

(IR) = STA 1 10

+100

…

+50

3.6. Trasovanie inštrukcií SIC

Fetch STA 0 19 (2/4)

INT

MAR

MBR

101

STA 1 10

101

STA 1 10

101

STA 1 10

STA 0 19

101

STA 0 19

STA 0 19

101

STA 0 19

Fetch STA 0 19

…

Execute STA 0 19

3.6. Trasovanie inštrukcií SIC

Fetch, Execute ADD 1 20 (3/4)

INT

MAR

MBR

101

STA 0 19

101

STA 0 19

101

STA 0 19

ADD 1 20

101

ADD 1 20

ADD 1 20

101

ADD 1 20

101

ADD 1 20

151

ADD 1 20

151

ADD 1 20

151

ADD 1 20

3.6. Trasovanie inštrukcií SIC

ošetrenie prerušenia

(4/4)

•

Žiadosť o prerušenie sa signalizuje nastavením INT:=1

•

Najprv sa dokončí fetch a execute cyklus

•

Po ukončení execute cyklu inštrukcie ADD sa začne spracovávať
prerušenie

•

Predpokladáme, že prerušenie nie je maskované; t.j. (SW[MASK])=0

INT

MAR

MBR

[MASK]

151

AD 1 20

151

AD 1 20

151

AD 1 20

151

AD 1 20

151

AD 1 20

4. Central Processing Unit, CPU

• Jedna zo základných častí počítača
• Program je uložený v hlavnej pamäti
• CPU číta z pamäte inštrukcie a údaje
• Zapisuje do pamäte
• Podobne komunikuje CPU s I/O,

synchronizácia je zabezpečená
pomocou riadiacej zbernice

I/O

CPU

Memory

Data bus

Control bus

Data bus

Address bus

4. Central Processing Unit, CPU

vykonávanie programu

CPU získava informácie z pamäte (fetch)

CPU dekóduje inštrukciu

Podľa toho, o akú inštrukciu ide, CPU prípadne

generuje riadiace impulzy na získanie (fetch) ďalšieho

operandu a potom na vykonanie

(a) Aritmetickej alebo logickej operácie
(b) Uloženie výsledku do pamäte
(c) Čítanie alebo zápis info do/zo I/O

CPU sa vracia do bodu 1 a opakuje postupnosť 1-4

dovtedy, kým sa program neukončí

4. Central Processing Unit, CPU

poznámky k vykonávaniu programov

• CPU je schopný vykonávať istú množinu elementárnych

činností, ktoré sa nazývajú mikrooperácie

• Mikrooperácie sú realizované pomocou hardvérových

zariadení (*)

• Mikrooperácie popisujeme pomocou mikroinštrukcií

• Zmysluplné postupnosti mikroinštrukcií tvoria

mikroprogramy

• Používateľ programuje vo vyššom programovacom

jazyku, jeho program sa prekladá do tzv. strojového

kódu, inštrukcie strojového kódu (machine instruction) sa

realizujú pomocou mikroprogramov (*)

• Mikroprogramy na vykonávanie strojových inštrukcií sa

píšu počas návrhu počítača a závisia od interpretácie

strojových inštrukcií

4.1. Hlavné časti CPU

1. Register set
2. Arithmetic and logic

unit (ALU)

3. Control and logic

unit (CLU)

ALU

CLU

data

control

4.1. Základné funkcie hlavných častí CPU

• Registre slúžia na uchovávanie informácie, s ktorou

bezprostredne pracuje CPU (údaje, inštrukcie, adresy,
riadiace údaje, hodnoty operendov a výsledkov operácií,
príznaky,...)

• ALU používa hodnoty uložené v registroch na

vykonávanie aritmetických a logických operácií

• CLU riadi systém dvoma spôsobmi

– Usmerňovaním prenosov informácie medzi ALU, registrami,

pamäťou a I/O

– Inštruovaním ALU, ktoré operácie má vykonať

4.2. Register set (množina registrov) (1)

• Množina registrov závisí od konkrétneho počítača
• Registre môžu mať rozličnú veľkosť (spomeň si na SIC)
• konštrukčne: registre s paralelným čítaním a zápisom, posuvné

registre

• Niektoré registre sa štandardne používajú v skoro všetkých

univerálnych počítačoch

• Program counter register (PC, CI)

– Slúži na ukladanie adresy nasledujúcej inštrukcie, ktorá sa má

vykonávať

– Musí sa dať inkrementovať o +1
– Musí sa doň dať uložiť adresa (číslo) pri operácii skoku
– PC je binárny counter s paralelným ukladaním stavu

4.2. Register set (množina registrov) (2)

• Instruction register (IR, register inštrukcií)

– Slúži na uchovávanie inštrukcie, ktorá sa práve vykonáva
– Dôvody:

• na vykonanie inštrukcie bude možno potrebné čítať niekoľkokrát z

pamäte; ak by vykonávaná inštrukcia bola uložená v MBR, pri
ďalšom čítaní z pamäte by sa stratila

• Spracovanie inštrukcie si vyžaduje špeciálny hardvér (napr. na

dekódovanie operačného kódu)

• Program Status Word (PSW)

– Obsahuje informáciu o stave CPU počas posledného execute cycle
– Aritmetické operácie (prenos, pretečenie, znamienko)
– Interrupt flags
– Pri prerušení sa môže použiť na ukladanie stavu bežiaceho programu

4.2. Register set (množina registrov) (3)

• Memory address register (MAR, register adries pamäte)

– Slúži na ukladanie adresy pamäťového miesta, s ktorým sa má

pracovať

– Jeho veľkosť je určená veľkosťou pamäte, ktorú má adresovať
– Register s paralelným zápisom a čítaním

• Memory buffer register (MBR, vyrovnávací register pamäte)

– Prostredníctvom neho sa čítajú údaje z pamäte a zapisujú sa do

pamäte

– Jeho veľkosť je rovnaká ako veľkosť pamäťového miesta
– Register s paralelným zápisom a čítaním

4.2. Register set (množina registrov) (4)

• Accumulator (ACC, akumulátor)

– Jeden z operandov aritmetickej a logickej operácie je (skoro

vždy) obsah akumulátora

– Výsledok operácie sa ukladá do akumulátora
– Takéto riešenie zjednodušuje výkonné aj riadiace obvody
– Niektoré počítače používajú ako akumulátor jeden z

univerzálnych registrov (pseudo-ACC)

• Flag registers

– Obsahujú informácie potrebné na riadenie počítača
– V SIC to boli E,F,C,S
– Flag registers má každý počítač,ale každý svoje špecifické

4.3. Formáty inštrukcií (1)

• inštrukcia = binárny vektor, ktorý pre počítač umožňuje definovať

– Operáciu, ktorú má vykonať
– Operandy (hodnoty, s ktorými sa má operácia vykonať)

• Množina všetkých inštrukcií = instruction set (množina inštrukcií

počítača) – určuje vnútorné usporiadanie počítača

• Inštrukcie podľa typu:

– Aritmetické
– Logické
– Prenos údajov
– I/O
– Riadiace
– iné

4.3. Formáty inštrukcií (2)

• inštrukcia=binárny vektor rozdelený na časti, ktoré sa nazývajú polia
• Formát inštrukcie = konvencia, ako interpretovať jednotlivé polia

– Operačný kód (čo sa má robiť)
– Operandy (s čím sa to má robiť):

• Explicitné (konštanty)
• Registre
• Pamäťové miesta

• Spôsob interpretácie operandu závisí od spôsobu adresovania
• V SIC mali všetky inštrukcie rovnakú dĺžku a uvažovali sa dva

spôsoby adresácie (priama a indexová adresácia)

• V skutočných počítačoch existujú inštrukcie rozličných dĺžok a

používa sa viacero spôsobov adresovania

4.3. Formáty inštrukcií (3)

•

Adresové pole možno rozdeliť na

viacero častí

•

Prvé počítače mali 4 adresový

formát:

– Operand 1
– Operand 2
– Výsledok (adresa, na ktorú sa

ukladá výsledok)

– Adresa, na ktorej sa hľadala

nasledujúca inštrukcia

•

Súčasné počítače majú inštrukcie

s menším počtom adries

•

Od počtu adries v inštrukcii závisí

veľkosť adresového priestoru

•

Uvažujme 48 bitové adresové pole

Počet

adries

Veľkosť adresového

priestoru

48:4=12

4 kB

48:3=16

64 kB

48:2=24

4 MB

256 TB

4.4. Spôsoby adresovania (1)

(addressing modes)

• Určujú, ako treba interpretovať adresové pole

inštrukcie; odkiaľ brať operandy

• operand:

– Konštanta
– Obsah registra
– Obsah pamäťového miesta

4.4. Spôsoby adresovania (2)

(addressing modes)

Mód

Hodnota operandu

Príklad prenosu

Implicitný

Žiadna

Bezprostredný

konštanta

OPR:=číslo

Priamy

Pamäť na adrese

OPR:=M[ADR]

Nepriamy

Pamäť na adrese adresy OPR:=M[M[ADR]]

Obsah registra

OPR:=(R1)

Pamäť na adrese z
registra

OPR:=M[(R1)]

Autoinkrement

OPR:=(R1); ++R1

Relatívny

Pamäť na zloženej
adrese

OPR:=M[(PC)+ADR]

Indexový

Pamäť na zloženej
adrese

OPR:=M[(IX)+ADR]

4.4. Spôsoby adresovania (3)

Implicitný mód (implied mode)
• Operandy sú špecifikované priamo v operačnom kóde, napr.

CLEAR_ACC

• Iný prípad: implicitným operandom aritmetickej operácie je obsah

akumulátora

• Implicitnú adresáciu využíva zásobník: operandami sú najvyššie dva

registre zásobníka, výsledok sa ukladá na vrch zásobníka

• existujú operácie na prenos údajov medzi pamäťou a zásobníkom
Bezprostredný spôsob adresovania (immediate addressing mode)
• V adresovom poli sú uložené konštanty (tento spôsob adresovania

využíva napríklad operácia SHIFT)

Priame a nepriame adresovanie (direct and indirect addressing modes)
• Jeden bit slúži na odlíšenie, či ide o priamu alebo nepriamu

adresáciu (napr. I=0 nepriame adresovanie, I=1 priame

adresovanie)

4.4. Spôsoby adresovania (4)

Register v adresovom poli (adresové pole špecifikuje register)
• V priamom móde je register operandom
• V nepriamom móde je v danom registri adresa pamäťového miesta,

ktorého hodnota je operandom

• autoinkrement/autodekrement mód sa dá používať aj v priamej aj v

nepriamej adresácii

– Takýto spôsob adresovania sa používa pri čítačoch, alebo indexových

premenných, alebo pri zásobníkovej pamäti

Zložené adresovanie Adresa operandu sa vypočíta na základe údajov

z adresového poľa a obsahov niektorých registrov

• Relative adressing mode: hodnota adresového poľa sa pripočítava k

obsahu PC

• Index adressing mode: jeden register sa využíva ako indexový,

adresa=obsah adresového poľa + (IX)

• Použitie - cykly

4.4. Spôsoby adresovania (5)

Zložené adresovanie-pokračovanie
• Bázový register: adresa operandu sa počíta ako súčet obsahu

bázového registra (základná adresa) a obsahu adresového poľa

(offset)

• Augmented addressing: namiesto sčítania obsahu registra a offsetu

sa tieto hodnoty zreťazujú:

adresa= (R)IR[AD]

• použitie: virtuálna pamäť; obsah registra= číslo stránky
Block addressing: využíva adresu na určenie pozície/adresy prvého

slova v bloku údajov (pásky a disky)

• Bloky údajov majú rovnakú alebo nerovnakú dĺžku
• Pri blokoch nerovnakej dĺžky potrebujeme určiť koniec bloku:

– Adresa začiatku a konca bloku
– Adresa začiatku a údaj o dĺžke bloku
– EOB znak

4.5. Arithmetic and logic unit, ALU

(Aritmetická a logická jednotka)

• Obvody vykonávajúce aritmetické a logické operácie
• V SIC

– Register (akumulátor) ako implicitný argument aritmetickej a

logickej operácie a miesto, kde sa ukladá výsledok

– výhoda: jednoduchá štruktúra ALU
– nevýhoda: pomalosť

• Reálne ALU môžu robiť operácie s ľubovoľným párom

pracovných registrov a výsledok ukladať do ľubovoľného

pracovného registra

• Spojenie registrov s ALU: multiplexory
• Aritmetické funkcie ALU závisia od typu údajov,

reprezentácie čísel (pevná, pohyblivá rádová čiarka,

záporné čísla)

4.5. ALU – aritmetické operácie

•

ALU využíva binárny paralelný
sumátor

•

Predpokladá sa, že je podľa
potreby možné negovať vstupy
sumátora

Mikrooperácia

S:=A+B

S:=A+B+1

S:=A+~B

S:=A+~B+1

S.=~A+B

S.=~A+B+1

S.=~A+~B

S.=~A+~B+1

S:=A

S:=A+1

S:=A-1

S:=A

4.5. ALU – aritmetické operácie (2)

• Na vstup sumátora je dobré pripojiť convert element,

ktorý transformuje vstup na požadovaný tvar (X,~X,1,0)

4.5. ALU – aritmetické operácie (3)

Násobenie a delenie
• Dá sa realizovať pomocou sčítania, odčítania, posunu a

testovania

• Trvá dlho
• Čo sa s tým dá robiť

– Čas vykonania mikroinštrukcie = čas vykonania časovo

najnáročnejšej mikroinštrukcie

– ALU s nerovnakými dĺžkami mikroinštrukcií
– Nezaradiť násobenie a delenie medzi mikroinštrukcie

• Realizácia násobenia a delenia pomocou mikroprogramu
• Použitie aritmetického koprocesora

4.5. ALU – podmienkové bity

• Pri vykonávaní aritmetických operácií sa testuje výsledok

a výsledky testovania sa ukladajú do podmienkových

bitov (condition bits)

• Testuje sa (napr.)

– Pretečenie (OF,overflow)
– End carry (EC) prenos z posledného bitu
– Sign (S) znamienko výsledku
– Zero (Z) výsledok=0

4.5. ALU – logické funkcie

• Sú jednoduchšie ako aritmetické, lebo nie sú potrebné prenosy

medzi rádmi

• Realizujú sa pomocou obvodov pozostávajúcich z rovnakých hradiel

a pracujúcich paralelne

• AND, OR,NOR, XOR,NOT,...
• Na realizáciu posunu sa používa namiesto pomalého posuvného

registra obvod position scaler, ktorý posunie vstup A na výstup B

– Nezmenený
– Posunutý o 1 miesto doprava
– Posunutý o 1 miesto doľava

Insert left bit

Insert right bit

4.6. Control logic unit, CLU

• Generuje riadiace signály na vykonanie postupnosti

mikroinštrukcií

• Riadi I/0 procesy, obslúženie prerušení
• CLU sa funkcionálne delí na

– IP (instruction processor: fetch, address,interrupt cycles)
– AP (arithmetic processor: execute cycles )

4.6. CLU – aritmetika v pevnej rádovej

čiarke

• Operácie:

– Aditívne (sčítanie, odčítanie),
– multiplikatívne (násobenie a delenie)

• Čísla sú zapísané v tvare

znamienko|absolútna hodnota

• V prípade aditívnych operácií sa využíva binárny doplnkový kód
• V prípade multiplikatívnych operácií sa pracuje s absolútnymi

hodnotami operandov a zvlášť sa vyhodnocuje znamienko

• Na realizáciu multiplikatívnych operácií sa používajú štandardné

algoritmy

4.6. CLU – aritmetika v pohyblivej rádovej

čiarke

•

Exponent býva v excess kóde

•

Mantisa má normalizovaný tvar

•

Základom pre exponent bývajú mocniny čísla 2

mantisa

exponent

Znamienko čísla

Znamienko

exponentu

4.6. CLU – aritmetika v pohyblivej rádovej

čiarke

Aditívne operácie
1.

Over, či sú operandy nenulové

Uprav menší z opernadov tak, aby oba operandy mali rovnaký exponent

Sčítaj/odčítaj mantisy

Normalizuj mantisu

Násobenie
1.

Skontroluj nenulovosť operandov

Sčítaj exponenty

Vynásob mantisy

Normalizuj výsledok

Delenie
1.

Skontroluj nenulovosť operandov

Uprav delenec (tak, aby po vydelení mantís bol výsledok v normálnom

tvare, t.j. mantisa delenca musí byť ≥ mantisa deliteľa

Odčítaj exponenty

Vydeľ mantisy

4.6. CLU – aritmetika v desiatkovej sústave

• Tam, kde sa veľa počíta je výhodné previesť čísla z desiatkovej do

dvojkovej sústavy, vykonať potrebné výpočty a výsledok zobraziť v

desiatkovej sústave

• V jednoduchších zariadeniach (pokladne) je výhodnejšie používať

BCD kódovanie a navrhnúť ALU pracujúcu s BCD číslami

• Ušetria sa prevody medzi desiatkovou a binárnou sústavou
• Či sa to robí naozaj – nevedno. Cena výkonných obvodov je taká

nízka, že sa výkonné procesory môžu používať aj na elementárne

účely.

4.7. Konfigurácia CPU

• Časti CPU možno konfigurovať rozličným spôsobom
• Konfiguráciu CPU najviac ovplyvňuje počet vnútorných zberníc
• Uvedieme dva príklady

Jednozbernicová organizácia CPU

• CPU má 1 údajovú zbernicu
• Všetky údaje sa prenúšajú po tejto zbernici
• ALU potrebuje niekedy 2 operandy – jeden môže byť na zbernici,

ale druhý musí byť v nejakom registri (buffer)

• CPU je kontrukčne jednoduchšia, ale spracovanie informácií trvá

dlhšie, lebo údaje pre ALU treba najprv uložiť do registrov, potom

vykonať operáciu a uložiť niekde výsledok

4.7. Konfigurácia CPU

ALU

Data bus

Control bus

4.7. Konfigurácia CPU – 3 dátové zbernice

Za cenu zložitejšej štruktúry sa dá zvýšiť výkon procesora

CLU

registre

Data

bus A

ALU

Data bus B

Data bus C

5. Mikroprogramovanie

•

CLU riadi činnosť hardvéru počítača

– Získanie inštrukcie (fetch)
– Dekódovanie inštrukcie
– Získanie operandov
– Aktivizácia ALU
– Uloženie výsledku

•

Pre každú inštrukciu (makroinštrukciu) generuje CLU postupnosť riadiacich

príkazov, pomocou ktorých sa daná makroinštrukcia vykoná

•

Tieto príkazy sa nazývajú mikroinštrukcie a spravidla nevystupujú

samostatne, ale tvoria mikroprogramy

•

Čas potrebný na vykonanie (makro)inštrukcie sa nazýva instruction cycle

time

•

Makroinštrukcie majú rozličné dĺžky cyklov

•

CLU rozdeľuje inštrukčné cyklu do stavov

•

Stav zodpovedá trvaniu hodinového impulzu (taktu)

•

Počas taktu/stavu možno vykonať jednu alebo niekoľko nezávislých

mikroinštrukcií súčasne

5. Mikroprogramovanie - mikroinštrukcie

• Mikroinštrukcia = príkaz najnižšej úrovne
• Vykonávajú ju logické obvody
• Príklady mikroinštrukcií:

– Otvoriť/uzavrieť prístup údajov z registra na zbernicu
– Prenesenie údajov po zbernici
– Inicializácia riadiacich signálov READ, WRITE, SET, CLEAR, SHIFT
– Odoslanie signálu
– Čakanie predpísanú dobu
– Testovanie bitu v registri
– Zápis do registra

• CLU môže mikroinštrukcie

– Generovať (hard-wired logic)
– Získavať z mikroprogramovej pamäte

5.1. Hard-wired CLU

•

CLU=riadiaca jednotka realizovaná logickými obvodmi, ktorá generuje
postupnosť signálov, riadiacich fetch, address, decode, execute and
interrupt cycles

•

CLU môže byť asynchrónna (ukončenie predchádzajúcej mikroopoerácie
spúšťa vykonávanie ďalšej mikrooperácie)

•

Synchronizovaná CLU: každá operácia je riadená časovým signálom

•

Príklad

ADD x

t0:

MAR:=(PC)

t1:

MBR:=M[MAR], PC:=(PC)+1

t2:

IR:=(MBR)

t3:

MAR:=(IR[ADDR])

t4:

MBR:=M[MAR]

t5:

ACC:=(ACC)+(MBR)

5.1. Hard-wired CLU

D
C

A
R

pamäť

a
d

B
R

ADD

ALU

A
C
C

5.2. Mikroprogramové riadenie

• Základná idea M.V.Wilkes, začiatok 50. rokov
• Nevýhody hard-wired CLU:

– Modifikácia, zavedenie novej mikroinštrukcie = nový návrh

• Ako to chceli riešiť: mikroprogram na vykonanie inštrukcie uložený v

pamäti a interpréter schopný vykonať ho

• Na čom to skroskotávalo: neboli k dispozícii lacné a rýchle pamäte

na uchovávanie mikroprogramov

• realizácia: 1964, IBM 360
• Mikroprogramové CLU sa dajú rozdeliť v závislosti na možnosti

používateľa zasahovať do mikroprogramov:

– Nemenné
– Čiastočné zmeny
– Programovateľné

• Mikroprogramová CLU je mikroprogramovateľná, ak používateľ

môže naprogramovať vlastné makroinštrukcie

5.3. Organizácia mikroprogramovej CLU (1)

Mikro-

radič

CAR

CBR

ROM

increment

Load

Condition

select

Branch

address

clock

Status/conditions

signals

µ-program

5.3. Organizácia mikroprogramovej CLU (2)

CAR

control address register

CBR

control buffer register

decoder

Ako funguje mikroprogramová CLU?
(„sa“ = mikroprogramová CLU)
•

V IR je uložená aktuálna makroinštrukcia

Do CAR sa uloží adresa mikroinštrukcie (na začiatku prvej)

Tá sa prečíta z mikroprogramovej pamäte do CBR

Začína sa mikrocyklus, počas ktorého sa generujú riadiace signály na

vykonanie mikroinštrukcie

CAR sa spravidla zvyšuje o 1, ale môžu sa vyskytnúť skoky

Cyklus 1-5 sa opakuje dovtedy, kým sa mikroprogram neskončí

5.4. Formáty mikroinštrukcií (1)

Horizontálny

Vertikálny

Horizonálny formát: binárny vektor, ktorý obsahuje toľko bitov, koľko

môže mikroinštrukcia generovať riadiacich signálov

•

Dá sa vykonať viacero elementárnych činností naraz (+)

•

Dlhý a riedky vektor, lebo veľa mikroinštrukcií sa vzájomne

vylučuje; nároky na pamäť (-)

Vertikálny formát
•

Mikroinštrukcia špecifikuje len jednu mikrooperáciu (?)

•

Vyžaduje si dekóder, zložitejší hardvér, nevyužíva paralelizmus

(-)

•

Krátke mikroinštrukcie, šetrí pamäť (+)

5.4. Formáty mikroinštrukcií (2)

• X,Y – 8 bitové vstupy
• Z – 8 bitový výstup
• C – 2 riadiace bity
• Vstupy a výstupy idú

do/z registrov
R0...R16, ktoré sú
adresovateľné
pomocou 4 bitov

ALU

5.4. Formáty mikroinštrukcií (3)

• ALU vykonáva 3 operácie

– NOP

– X+Y

– X-Y

• Postupnosť operácií spojených s ALU:

– X:=(register)
– Y:=(register)
– Z:=f(X,Y)
– Register:= Z

• Pri horizontálnej mikroinštrukcii budeme potrebovať 14 bitov
• [op.kód][X-pole][Y-pole][Z-pole]

10 0100 0011 0000 :

R0:=(R4)-(R3)

5.4. Formáty mikroinštrukcií (4)

Vertikálny formát
rozlišujeme:
•

Výber X

•

Výber Y

•

Výber ALU

•

Výber Z

A výber adresy (registra) 4 bity
V prípade výberu ALU musíme vybrať operáciu, na to potrebujeme 2 bity
Mikroprogram bude vyzerať takto:

00 0100
01 0011

10 10xx

11 0000

V tomto prípade potrebujeme 24 bitov, oproti 14 bitom pri použití jednej

horizontálnej inštrukcie

5.4. Formáty mikroinštrukcií (5)

Postupnosť mikroinštrukcií:
• potrebujeme umožniť podmienené skoky
• Aby sa to zjednodušilo:

– Mikroinštrukcia bude obsahovať 2 bitové COND field C1C2
– 2 možné pokračovania:

• na adrese danou v ADDR field
• (CAR)+1

– Hodnota COND field určí, ktorá možnosť nastane:
– 00

(CAR)+1

– 01

skoč na ADDR ak C1

– 10

skoč na ADDR ak C2

– 11

skoč na ADDR nepodmienene

5.5. Mikroprogramovanie - rozličné

Emulácia: ak je možné nahradiť mikroprogram iným, možno na

počítači emulovať iný počítač s iným inštrukčným súborom (napr.

neexistujúci počítač)

Bitové rezy = bloky pozostávajúce z obvodov a zberníc,

umožňujúce spracovať 2-8 bitov. Možno z nich poskladať

procesory spracovávajúce slová ľubovoľnej dĺžky. Prenosy medzi

rezmi registrov (pri aritmetických operáciách) treba riešiť

mikroprogramovo.

Mikroprogramovacie podporné prostriedky.

•

Mikroprogramovanie je otravná záležitosť, treba si nejako pomôcť

•

Mikroassembler

•

Formátor (programovanie PROM)

•

Vývojové systémy (testovanie, editovanie)

•

Hardvérové simulátory

5.6. Výhody a nevýhody

mikroprogramovania

• Štruktúrovaný prístup k návrhu CLU (+)
• CLU sa ľahšie mení a opravuje (+)
• CLU je spoľahlivejšia ako random logic CLU (+)
• CLU je pomalšia (-)

• Zlepšenie využívania mikroprogramovej pamäte –

nanoprogramovanie

• Princíp:

– Spraví sa zoznam v mikroprograme používaným mikroinštrukcií a tieto

sa uložia v nanopamäti

– Mikroprogram pozostáva z kódov mikroinštrukcií: pri spracovaní

mikroprogramu sa mikroinštrukcia najprv „vytiahne“ z nanopamäte a
potom spracuje

5.7. Príklad mikroarchitektúry (1)

A bus

B bus

C bus

registre

MAR

MBR

ALU

AMUX

A latch

B latch

Data in

Address out

Data out

shifter

5.7. Príklad mikroarchitektúry (2)

•

Podľa A. S. Tanenbauma, Structured Computer organization

•

Data path na prechádzajúcom obrázku obsahuje:

– ALU a jej vstupy a výstupy
– 16 registrov dĺžky 16 bitov
– Každý register je pripojený na tri zbernice A, B, C
– Do registra sa ukladajú údaje pomocou zbernice C
– Obsah registra sa dá preniesť (napr. do ALU) prostredníctvom zberníc A, B
– Zbernice A, B sú pripojené na ALU
– ALU je 16-bitová ALU, ktorá je schopná vykonávať 4 operácie: A+B, A AND B, A,

NOT A

– Výber operácie ALU sa uskutočňuje pomocou dvoch riadiacich vstupov F0F1 (nie

sú na obrázku)

– ALU generuje dva stavové bity, ktoré závisia od výsledku operácie: N (výsledok

operácie je negatívny); Z (výsledok operácie je 0)

– Výstup ALU prechádza cez SHIFTER, tento môže posunúť výsledok o 1 miesto

doprava alebo doľava, alebo ho ponechať bez zmeny.

– SHIFTER riadia dva riadiace vstupy S0S1 (nie sú na obrázku)

100

5.7. Príklad mikroarchitektúry (3)

• Vstupy do ALU prechádzajú cez dva registre (latch A, B), ktoré

slúžia na zabezpečenie stabilného vstupu ALU na potrebnú dobu

• Komunikáciu s pamäťou zabezpečuje dvojica registrov MAR, MBR
• Riadenie vstupov a výstupov MAR, MBR zabezpečujú riadiace

vstupy M0,M1,M2,M3 (nie sú na obrázku):

– M0

ukladanie adresy do MAR

– M1

ukladanie hodnoty do MBR z výstupu SHIFTER-a

– M2

čítanie z pamäte

– M3

zápis do pamäte

• AMUX je multiplexor, ktorý vyberá vstup do ALU (buď z MBR, alebo

z buffra A) pomocou riadiacej premennej A0

• registre: PC, AC, SP, IR, TIR, 0, +1, -1, AMASK, SMASK,

A,B,C,D,E,F

101

5.7. Príklad mikroarchitektúry (4)

•

Na riadenie data path potrebujeme 61 bitov

•

16 bitov na zápis z registrov na zbernicu A

•

16 bitov na zápis z registrov na zbernicu B

•

16 bitov na zápis do registrov zo zbernice C

•

2 bity na riadenie zápisu do buffrov A, B

•

2 bity na riadenie funkcií ALU

•

2 bity na riadenie SHIFTER-a

•

4 bity na riadenie MAR a MBR

•

2 bity na riadenie zápisu a čítania z/do pamäte

•

1 bit na riadenie AMUX

Optimalizácia
•

Čísla registrov pristupujúcich na zbernice A,B,C = 3x4=12 bitov

•

L0, L1 (buffre A,B) sa dajú nahradiť časovým signálom

•

Nový riadiaci bit ENC (enable C) na zápis hodnoty z C do niektorého z registrov

•

Na riadenie MBR stačia dva bity RD a WR

102

5.7. Príklad mikroarchitektúry (5)

•

AMUX riadi ľavý vstup do ALU

– 0 = A latch
– 1 = MBR

•

COND – podmienka pre skok

– 0 = žiadny skok
– 1 = skok ak N = 1
– 2 = skok ak Z = 1
– 3 = skok

•

ALU – riadenie funkcií ALU

– 0 = A+B
– 1 = A AND B
– 2 = A
– 3 = ~A

•

SH – riadenie posunu

– 0 = žiaden posun
– 1 = posun o 1 bit doprava
– 2 = posun o 1 bit doľava
– 3 = nepoužíva sa

103

5.7. Príklad mikroarchitektúry (6)

•

MAR,MBR,RD,WR,ENC: 0 = nie, 1 = áno;

•

MAR = ulož do MAR obsah latch B

•

MBR = ulož do MBR výstup shiftera

•

RD = čítaj z pamäte

•

WR = zapisuj do pamäte

•

ENC = ulož do registra

•

C = výber registra na uloženie, ak ENC = 1;

•

B = výber zdroja hodnôt pre zbernicu B

•

A = výber zdroja hodnôt pre zbernicu A

ADDR

104

•

Základný cyklus ALU:

–

Nastavenie registrov (latches) A, B

–

Aktivizácia ALU a shiftera na potrebný čas

–

Uloženie výsledkov

•

Je potrebné zaistiť správne poradie vykonávaných

činností

•

Základný cyklus sa rozdelí na 4 podcykly:

–

Uloženie nasledujúcej mikroinštrukcie do MIR (registra

mikroinštrukcií)

–

Pripojenie registrov na zbernice A, B a naplnenie buffrov

(latches) A, B

–

Keď sú vstupy do ALU stabilné, ponechanie ALU a shifteru

dostatok času na vykonanie potrebných operácií

–

Keď je výstup shiftera stabilný, uloží sa hodnota zo zbernice C

buď do registra, alebo do MBR

5.7. Príklad mikroarchitektúry (7)

Timing

105

5.7. Príklad mikroarchitektúry (8)

• Výber nasledujúcej mikroinštrukcie

– Nebýva to vždy nasledujúca mikroinštrukcia
– Aby sa umožnil skok, mikroinštrukcia obsahuje dve polia: ADDR a

COND

– Ak COND = 0, nasledujúca mikroinštrukcia sa berie z adresy MPC+1
– Ak COND > 0 a sú splnené ďalšie podmienky, pokračuje sa na adrese

uvedenej v poli ADDR

106

5.8. Mikroprogramovanie – Súhrn (1)

• CPU pozostáva z

– data path (registre, ALU, SHIFTER, zbernice)
– riadiacej časti (mikroprogramová pamäť)

• Cyklus pozostáva zo získania operandov z registrov, spracovaniu

pomocou ALU/shiftera a uloženia výsledku do registra

• Riadiaca sekcia – mikroprogramová pamäť s uloženým

mikroprogramom

• Mikroinštrukcia kontroluje obvody data path počas jedného

mikrocyklu

• Mikrocyklus môže byť rozdelený na podcykly
• Postupnosť mikroinštrukcií sa dá zaistiť jednak pomocou hodín a

explicitného čítača (program counter) na mikroprogramovej úrovni

• V reálnych procesoroch mikroinštrukcia obsahuje adresu

nasledujúcej mikroinštrukcie

107

5.8. Mikroprogramovanie – Súhrn (2)

• Mikroinštrukcie sa dajú organizovať horizontálne a vertikálne alebo

niečo medzi tým

– Horizontálne mikroinštrukcie: dlhé slová, paralelené vykonávanie

mikrooperácií

– Vertikálne inštrukcie: krátke slová, pomalšie, menšia mikroprogramová

pamäť

• Optimalizácia: mikroinštrukcia = krátky pointer na dlhšiu

nanoinštrukciu

– Menšie nároky na mikroprogramovú pamäť, pomalšie vykonávanie

programu

• Iné spôsoby optimalizácie: variabilná dĺžka cyklov, pipelining,

použitie cache a pod.

• príklad: Motorola 68000

– 3 nezávislé data path (2 – adresa, 1 – údaje)
– 17 bitové nanoinštrukcie a 68 bitové horizontálne nanoinštrukcie

108

6. RISC a CISC (1)

• Prvé počítače – jednoduché, málo inštrukcií, a 1-2 spôsoby

adresovania

• 1964 – IBM 360 mikroprogramovanie

– Zložitý inštrukčný súbor (strojový jazyk)
– Mikroprogramy uložené v ROM (nemodifikovateľné)

• Ďalší vývoj

– typický počítač má cca 200 inštrukcií a viac než 10 spôsobov

adresovania

– Používanie vyšších programovacích jazykov so štruktúrami typu IF,

WHILE, CASE a jazykov assemblera (JUMP, MOVE, ADD,...) vedie k

vzniku a rozširovaniu sémantickej priepasti a problémom s písaním

kompilátora

– Neprichádza do úvahy znižovanie úrovne programovacích jazykov
– Zvyšuje sa úroveň strojového jazyka (inštrukcie pre CASE, adresovacie

spôsoby pre narábanie s poľami a zoznamami, volanie procedúr) – do

mikrokódu

– Pomalá hlavná pamäť a rýchla CPU

109

6. RISC a CISC (2)

• 70-te roky: technologické zmeny

– Rýchle polovodičové RAM

• Zložitá práca s mikroprogramami – písanie, ladenie, udržiavanie,

zmeny

• Chyba v mikroprograme – nutnosť vymeniť ROM s mikroprogramom

v používateľskom počítači

• Čo je vlastne potrebné podporovať?
• Knuth, Wortman, Tanenbaum, Patterson skúmali Fortran, PL/I, C,

Pascal, SAL (1971-1982)

• výsledky:

– 85% programov = priradenia, IF, volania procedúr
– 80% priradení: premenná:=hodnota (konštanta, premenná, prvok poľa)
– 15% priradení obsahuje 1 operátor, napr. a:=a+b
– 5% priradení – zložitejších

110

6. RISC a CISC – analýza

programov

• Čo je vlastne potrebné podporovať?
• Knuth, Wortman, Tanenbaum, Patterson skúmali Fortran, PL/I, C,

Pascal, SAL (1971-1982)

• výsledky:

111

6. RISC a CISC – analýza

programov

Volanie procedúr

Lokálne premenné

parametre

22%

41%

17%

19%

20%

15%

41%

25%

112

6. RISC a CISC – analýza

programov

• Celková štatistika:

47%

23%

Call

15%

Loop

Goto

Ostatné 7%

• Počítače (mikroprogramy) podporujú zložité inštrukcie

programy sa však zväčša skladajú z jednoduchých
inštrukcií

113

6. RISC

• Možné riešenie problému: RISC

– Počítač s malým počtom vertikálnych mikroinštrukcií
– Používateľské programy sa kompilujú do postupnosti týchto

mikroinštrukcií a potom vykonávajú hardvérovo (nepoužíva sa

interpréter)

– Výhoda: jednoduché operácie (sčítanie obsahu dvoch registrov)

sa dajú vykonať pomocou jednej mikroinštrukcie

– Pre porovnanie – CISC – najrýchlejšie strojové kódy si vyžadujú

8-15 mikroinštrukcií na makroinštrukciu

– Ďalší predpoklad úspechu RISC = pokrok v mikroprogramovaní,

optimalizácia technológie tvorby kompilátorov – generovanie

mikrokódu

– Predtým: programátor napísal ručne mikroprogram, ktorý

interpretoval používateľov program

– Teraz kompilátor vyprodukuje priamo mikrokód (preskakuje sa

interpréter)

114

6. RISC

• Do roku 1964 boli všetky požítače typu RISC
• Potom prišiel Wilkes a IBM 360 s mikroprogramovaním
• Prvý moderný RISC – 1975 IBM 801 minicomputer

IBM

370

VAX

11/780

Xerox

Dorado

IBM

801

RISC I

MIPS

rok výroby

1973

1978

1980

1981

1983

Počet inštr.

208

303

270

120

Mikrokód

54 Kb

61 Kb

17 Kb

Veľ. Inštr.

2-6 b

2-57 b

1-3

Operácie

R-R

R-M

M-M

R-R

R-M

M-M

Stack

R-R

115

6. Princípy návrhu RISC

•

5 krokov (Tanenbaum)

1. Analyzuj aplikáciu aby si našiel kľúčové operácie

2. Navrhni data path optimálnu pre kľúčové operácie

3. Navrhni inčtrukcie na vykonanie kľúčových operácií

pomocou navrhnutej data path

4. Nové inštrukcie pridávaj len vtedy, ak nespomalia

stroj

5. Opakuj tento postup pre ďalšie časti CPU (cache,

manažment pamäte, koprocesory a pod.)

Dokonalosť sa dosiahne nie vtedy, keď už nieto čo

pridať, ale vtedy, keď už nieto čo odobrať.

Antoine de St. Exupéry

116

6. RISC a CISC – porovnanie

RISC

Jednoduché inštrukcie

vykonávané v jednom cykle

Prístup k pamäti len

pomocou LOAD a STORE

Intenzívne využíva pipelining

Inštrukcie vykonáva hardvér

Pevný formát inštrukcií

Málo inštrukcií a spôsobov

adresovania

Zložitosť v kompilátore

Viacero množín registrov

CISC

1. Zložité inštrukcie vykonávané

vo viacerých cykloch

2. Každá inštrukcia môže

pristupovať k pamäti

3. Nepoužíva, alebo len

obmedzene používa pipelining

4. Inštrukcie interpretuje

mikroprogram

5. Variabilný formát inštrukcií
6. Veľa inštrukcií a spôsobov

adresovania

7. Zložitosť v mikroprograme
8. Jedna množina registrov

117

6. RISC a CISC – porovnanie (2)

Jedna inštrukcia na 1 cyklus data path
• Data path cyklus pozostáva zo

– Získania operandov z registrov
– Posun operandov na vnútorné zbernice
– Spracovanie v ALU
– Zápis výsledku do registra
– Toto všetko sa dá stihnúť za 1 takt

• Inštrukcie RISC-u sa podobajú mikroinštrukciám
• Ite ktoré sú príliš komplikované sa do inštrukčného

súboru nezaraďujú (násobenie, delenie, operácie s

pohyblivou rádovou čiarkou; riešenie: knižnice,

koprocesor)

118

6. RISC a CISC – porovnanie (3)

Architektúra LOAD/STORE
• Ak je cieľom jedna inštrukcia /cyklus Data path –

inštrukcie pristupujúce k pamäti sú problematické

• Inštrukcie, ktoré majú operandy v registroch sa dajú

vykonať počas jedného cyklu

• Inštrukcie, ktoré majú operandy v pamäti – nie
• Predĺženie dĺžky cyklu tak, aby sa to stíhalo – nie je

prípustné

• riešenie: inštrukcie majú operandy v registroch
• Existujú inštrukcie STORE, LOAD na čítanie z pamäte a

ukladanie do pamäte

• Jednoduché spôsoby adresovania (žiadne nepriame

adresovanie, indexové adresovanie a pod.)

119

6. RISC a CISC – porovnanie (4)

Pipelining
•

LOAD/STORE aj tak trvajú dlhšie ako 1 Data path cyklus

•

Modifikujeme základný cieľ (1 inštrukcia/cyklus data path) na v priemere 1

inštrukcia/cyklus data path

•

Podstata pipeleningu:

– spracovanie inštrukcie sa dá rozdeliť na fázy,
– v každej fáze sa na spracovaní inštrukcie podieľajú iné obvody,
– Môžeme mať súčasne rozpracovaných viac inštrukcií; každú v inej fáze

spracovania

– V priemere sa spracuje v každom data path cykle jedna inštrukcia

•

Je potrebné analyzovať, aké obvody sa využívajú v jednotlivých fázach

spracovania inštrukcie, aby sa vyhlo kolíziám

•

Posúva sa začiatok spracovanie nasledujúcej problematickej inštrukcie

•

V záujme optimalizácie programu: kompilátor má usporiadať preložený

program tak, aby využil „medzery“ okolo LOAD a STORE na niečo užitočné

•

Ďalší problém operácie skokuCISC: predikcia, RISC na to nemá čas –

oneskorený JUMP (inštrukcia nasledujúca po skoku sa vždy začne

vykonávať)

120

6. RISC a CISC – porovnanie (4)

Žiaden mikrokód
• Inštrukcie generované kompilátorom v RISC-u vykonáva

hardvér

• Nie sú interpretované mikroprogramom
• To je podstata rýchlosti RISC-u
Čo s komplikovanými inštrukciami?
• Nevyskytujú sa príliš často
• CISC – používa ich a realizuje ich pomocou

mikroprogramu

• V RISC-u sa musia nahradiť programom (kompilátor)
• CISC možno trocha šetrí pamäť

121

6. RISC a CISC – porovnanie (5)

Pevný formát inštrukcií
• Kde by sa prejavili problémy, keby sme pripustili

variabilný formát inštrukcií?

– Načítavanie
– Pipelining
– Spracovanie

122

6. RISC a CISC – porovnanie (6)

Redukovaný súbor inštrukcií
• RISC principiálne nemusí mať malý počet inštrukcií
• Podmienky, ktoré sme na inštrukcie položili, mnohé inštrukcie

vylučujú (napr. adresovanie)

• Malý inštrukčný súbor – menšie požiadavky na plochu čipu –

ušetrená plocha sa dá využiť (registre)

• Málo a jednoduchých spôsobov adresovania

123

6. RISC a CISC – porovnanie (7)

Zložitosť RISC v kompilátore
• Prečo?

– Oneskorené LOAD, STORE, JUMP operácie
– Obyčajné inštrukcie nemôžu adresovať pamäť
– Cieľová množina inštrukcií (strojový kód), do

ktorej sa prekladá program, je obmedzená

• CISC – zložitosť v mikroprograme

124

6. RISC a CISC – porovnanie (8)

Viac množín registrov
• Ušetrený priestor na čipe využívajú registre
• Ich použitím sa budeme špeciálne zaoberať
Otvorené otázky
• Aká časť hardvéru bude viditeľná pre tvorcu kompilátora

– interlocking po LOAD – riešiť automaticky, alebo to nechať na

programátora

– CACHE – môže programátor predpokladať, že má potrebnú

hodnotu v CACHE

• Big vs little endian
• Použitie CC (condition code) – v každej inštrukcii alebo

len špeciálne ištrukcie skoku

125

6. RISC použitie registrov (1)

• RISC má viac súborov registrov
• Cieľ – jedna inštrukcia (v priemere) na 1 cyklus data path
• LOAD, STORE vyžadujú v priemere 2 cykly
• Kompilátor musí za každou LOAD, STORE (a JUMP) operáciou

umiestniť bezproblémovú operáciu (ktorá sa dá začať vykonávať

spolu s LOAD a STORE)

• Treba minimalizovať počet LOAD, STORE
• Čo sa najčastejšie číta a ukladá ?
• Volanie procedúr: parametre, obsahy registrov, návratové adresy
• Patterson a Sequin (1982) tvorcovia RISC I vymysleli metódu

prekrývajúcich sa okien registrov (overlappin register windows)

• Podstata metódy:

– CPU má veľa registrov
– Viditeľných je len niekoľko z nich (najčastejšie 32)
– Viditeľné registre sú rozdelené na 4 skupiny

126

6. RISC použitie registrov (2)

• Rozdelenie registrov okna (podľa RISC I):

– Globálne premenné (10)
– Vstupné parametre (6)
– Lokálne premenné (10)
– Výstupné parametre (6)

• Súčasné RISCs majú rozdelenie 8,8,8,8
• Použitie registrov okna:

– Globálne premenné a pointre:

• nie sú špecifické pre konkrétnu procedúru
• O využití registra rozhoduje kompilátor
• Niekde je R0 hardvérovo nastavené na 0 a nedá sa doň

zapisovať

127

6. RISC použitie registrov (3)

• Použitie registrov okna

– Vstupné parametre

• V CISC – parametre procedúr v zásobníku
• V RISC – do registrov
• Ak sa nezmestia – do zásobníka
• Vo väčšine prípadov 8 registrov stačí

– Lokálne premenné

• Ak nebudú stačiť registre, použije sa zásobník

– Výstupné premenné

• Podobne: ak nebudú stačiť registre, použije sa zásobník

128

6. RISC použitie registrov (4)

• Ako to funguje?
• Zavedieme CWP (current window pointer), smerník na register
• Ak procedúra A volá procedúru B (obr) zmenou CWP sa výstupy A

stanú vstupmi B a B ich môže používať bez nutnosti prístupu k

pamäti

• CWP funguje ako SP (stack-pointer)
• R0-R7 sú globálne premenné, ale ak sa objaví R8,predstavuje to

hodnotu CWP

• Ďalšie podrobnosti:

– R31 sa rezervuje na návratovú adresu
– Dlhé slová sa ukladajú do zásobníka a do registrov sa ukladajú len

smerníky na zásobník

– Pri väčšom počte parametrov – pamäť
– Príliš veľa vnorených volaní procedúr – vyvolá trap
Trap handler – popresúva obsahy registrov do pamäte a rieši problém

129

6. RISC použitie registrov (5)

CWP=8

CWP=24

CWP=40

Locals

OUT

Globals

overlap

130

Čo je lepšie registre, alebo CACHE na čipe?
Alokácia registrov
• Kompilátor priraďuje registre premenným
• Premenných môže byť viac ako registrov
• Premenná sa používa len v nejakej časti programu (live),

mimo tejto časti nemusí byť uložená v registri (je mŕtva,

dead)

• Alokácia registov a chromatické číslo grafu (programu

priraďujeme graf)

• Ak je chromatické číslo grafu ≤ počet dostupných

registrov, všetky premenné možno držať uložené v

registroch a eleiminovať tak potrebu LOAD, STORE

6. RISC použitie registrov (6)

131

6. RISC alebo CISC

• Ktorý je lepší pre vykonávanie programov napísaných vo vyšších

programovacích jazykoch (benchmarking)

• Koľko sa získa vďaka veľkému počtu registrov
• Čo sa píše ľahšie: kompilátory pre RSC alebo CISC
• ...

132

7. Spracovanie vstupu a výstupu

(I/O processing)

• I/O v počítači zabezpečuje I/O systém
• Úlohou I/O systému je prenášať informácie medzi CPU

alebo hlavnou pamäťou a okolitým svetom

• I/O systém:

– I/O zariadenia (periférie)
– Radičov I/O zariadení
– Softvéru

• Návrh I/O systému – základné problémy

– CPU a I/O nemožno synchronizovať, dá sa len koordinovať
– CPU je obyčajne omnoho rýchlejšie ako I/O zariadenie – I/O

komunikujú s CPU asynchrónne

– CPU – binárne kódovanie informácie, I/O – spolupracuje s

človekom – treba kódovať a dekódovať

133

7. Spracovanie vstupu a výstupu

(I/O processing)

• Riadenie I/O operácií – globálne – CPU:

– Výber I/O zariadenia a kontrola jeho pripravenosti
– Inicializácia prenosu a koordinácia časovania I/O operácií
– Prenos informácie
– Ukončenie prenosu

• I/O zariadenia

– Len vstup
– Len výstup
– Obojsmerné

• Veľká variabilita konkrétnych riešení, budeme sa zaoberať len

principiálnymi otázkami:

– Spôsob, akým sa uskutočňujú I/O operácie
– Základné mechanizmy prenosu údajov
– Spájanie rozličných zariadení (interfacing)
– I/O procesory

134

7. 1. Prístup k I/O portom

(I/O accessing)

• Dva základné spôsoby

– Memory mapped I/O
– I/O mapped I/O

• Prvé riešenie:

– I/O porty sú pripojené k adresovej zbernici
– Každé I/O zariadenie má svoje číslo, ktoré sa chápe ako

pamäťová adresa (vstupné I/O je ako pamäť z ktorej sa číta a

výstupné I/O ako pamňť do ktorej sa zapisuje)

– Každá inštrukcia, ktorá sa dvoláva na pamäť, môže sa

odvolávač na I/O port

– Nevyžadujú sa špeciálne I/O inštrukcie
– Pomalšie než druhé riešenie
– Zmenšuje sa adresový priestor

135

7. 1. Prístup k I/O portom

(I/O accessing)

I/O mapped I/O
• I/O porty sú nezávislé od pamäte
• CPU rozlišuje, či zapisuje/číta do/z pamäte alebo do/z I/O portu
• Na prenos info madzi CPU/pamäťou a I/O portami sa používajú

špeciálne operácie INPUT a OUTPUT

• Tá istá adresa môže byť adresou pamäťového miesta aj I/O portu

136

7. 2. Riadenie I/O operácií (1)

I/O operácie sa dajú klasifikovať podľa toho, odkiaľ je

riadený prenos údajov:

Programom riadený I/O

I/O využívajúci prerušenia

DMA prenos

137

7. 2. Riadenie I/O operácií (2)

programmed I/O

• Programom riadený I/O

– Najjednoduchšia priame metóda
– Malé množstvo špeciálneho I/O hardvéru
– CPU riadi celý prenos údajov
– Existuje špeciálny program (postupnosť I/O inštrukcií) podľa

ktorého sa

• Inicializujú
• Usmerňujú
• Ukončujú I/O operácie

• Potrebný I/O hardvér:

– Status register
– Buffer register
– Data counter
– Buffer pointer

138

7. 2. Riadenie I/O operácií (3)

programmed I/O

• Status register: Súčasný stav I/O zariadenia a údajov,

ktoré sa majú preniesť

– zariadenie: pripravené, vypnuté, obsadené, má sa čítať alebo

zapisovať, chyba parity,...

– Typ a formát údajov, byte, reťazec, znaky,...

• Buffer register uchováva údaje, ktoré sa majú preniesť
• Data counter: koľko údajov (v byte) sa má preniesť (pri

prenose sa testuje na 0)

• Buffer pointer: adresa pamäťového miesta, kam sa má

zapisovať, alebo odkiaľ sa má čítať

139

7. 2. Riadenie I/O operácií (4)

programmed I/O

• Ako to funguje

– Prenos sa uskutočňuje v cykle, počet opakovaní určuje data

counter

– Testuje sa status register, aby sa zistilo, či sa môže uskutočniť

prenos

• Pri čítaní: načíta sa z I/O do buffera
• Obsah buffera sa zapíše do pamäte na adresu, ktorá je v registri

buffer pointer

• Pri zápise: sa z pamäťového miesta, ktorého adresa je v registri

buffer pointer zapíše do buffera

• Obsah buffera sa zapíše do I/O

– Aktualizuje sa datacounter a buffer pointer

• Jednoduché ale pomalé, zaťažuje to CPU, veľa sa

testuje, kým sa niečo spraví

140

7. 2. Riadenie I/O operácií (5)

Interrupt I/O

• princíp:

– I/O zariadenia (ale aj iné) žiadajú CPU o odpoveď
– Namiesto toho, aby CPU sústavne kontrolovalo, či niektoré z

nich nechce čítať/zapisovať využíva interrupt

– I/O zariadenie, ktoré „chce“ napr. poslať údaje do CPU alebo

pamäte pošle CPU signál INTR (interrupt request)

– CPU má žiadateľov rozdelených do dvoch aktuálnych kategórií:

podstatní a nepodstatní

– Podstatným vyhovuje okamžite, nepodstatní musia počkať
– Maskovanie: v programe je možné nastaviť interrupt enable a

interrupt disable inštrukcie

– Maskovateľný interrupn musí čakať
– Nemaskovateľný interrupt sa vykoná okamžite

141

7. 2. Riadenie I/O operácií (6)

ošetrenie súčasných žiadostí o prerušenie

• v okamihu vyhodnocovania žiadosti o prerušenie môže

existovať viacero žiadostí o prerušenie

• CPU musí rozhodnúť, ktorej vyhovie
• Viacero spôsobov riešenia:

– Polling
– Vector interrupt

• Polling: ak sa objaví žiadosť o prerušenie (INTR), CPU

kontroluje stavové bity jedntlivých zariadení, ktoré mohli

žiadať o prerušenie – od zariadenia s najvyššou prioritou

po zariadene s najnižšou prioritou

• Postupné zisťovanie hodnôt stavových bitov jednotlivých

zariadení je zdĺhavé

142

7. 2. Riadenie I/O operácií (7)

ošetrenie súčasných žiadostí o prerušenie

• Vector interrupt:

– Zariadenie pošle INTR
– CPU pošle signál INTA (interrupt acknowledge), keď je pripravená

spracovať ďalšie prerušenie

– Zariadenie, ktoré vyslalo INTR, pošle na údajovú zbernicu vektor

(adresu, na ktorej je interrupt handler na spracovanie daného

prerušenia)

– Ak bolo žiadostí o prerušenie viac, vyberie sa spomedzi nich tá s

najväčšou prioritou

– Na spracovanie súčasných žiadostí o prerušenie sa používa prioritný

kóder alebo metóda daisy chain

• Prioritný kóder: na vstupy prioritného kódera sú v poradí od

najvýznamnejšieho po najmenej významný pripojené bity (napr.)

vektora, ktorý je výsledkom prieniku masky a vektora žiadostí o

prerušenie jednotlivých zariadení. Ak je vektor nenulový prioritný

kóder vypočíta pozíciu prvej jednotky v ňom.

143

7. 2. Riadenie I/O operácií (8)

ošetrenie súčasných žiadostí o prerušenie

• Daisy chain: (princíp) zariadenia, ktoré môžu vyslať

INTR sú navzájom lineárne prepojené v poradí

zodpovedajúcom ich priorite.

– CPU vyšle INTA, prvému zariadeniu, ak toto zariadenie žiadalo

o prerušenie, pošle na údajovú zbernicu vektor (adresu interrupt

handlera) a zablokuje šírenie INTA.

– Ak zariadenie nežiadalo o prerušenie, pošle INTA ďalšiemu

zariadeniu s nižšou prioritou

– Keďže niektoré zo zariadení o prerušenie požiadalo, INTA sa k

nemu napokon dostane; ak o prerušenie žiadalo viacero

zariadení, tak sa INTA dostane ako k prvému k tomu z nich,

ktoré malo najvyšššiu prioritu

• Daisy chain sa používa aj v iných súvislostiach, napr. pri

vyhodnocovaní súčasných žiadostí o priradenie zbernice

144

7. 2. Riadenie I/O operácií (9)

direct memory access, DMA

• Interrupt I/O podstatne zefektívňuje vstup a výstup údajov, ale

nepostačuje na obsluhu periférií, schopných prenášať veľké

množstvá údajov (disk)

• Veľké množstvá údajov sa obvykle prenášajú medzi pamäťou a

periférnym zariadením

• Takýto prenos sa rieši metódou direct memory access (DMA) a je

riadený pomocou DMAC, radiča DMA

• Podstata DMA

– CPU inicializuje DMA kanál, potom prenos riadi DMAC bez účasti CPU
– Vďaka „obchádzaniu“ CPU sa dosahujú prenosové rýchlosti rádovo

rovné cyklu hlavnej pamäte

– I/O prenáša veľký blok údajov v jednej súvislej operácii = DMA block

transfer

– Počas DMA prenosu môže dôjsť ku kolízii (DMAC aj CPU môžu

potrebovať zbernicu, alebo pristupovať k pamäti)

145

7. 2. Riadenie I/O operácií (10)

direct memory access, DMA

• Riešenia kolízií (CPU - DMAC) pri prístupe k pamäti:

– Dual port memories
– Cycle stealing (kradnutie cyklov)

• Cycle stealing

– DMA zariadenie má priradený cyklus pamäte na prenos údajov
– Počas tohto cyklu CPU nemôže pristupovať do pamäte
– Prenesie sa niekoľko slov a riadenie vráti CPU
– Ak CPU nepotrebuje pracovať s pamäťou, odovzdá riadenie

údajovej zbernice DMAC

– Ak je DMAC synchronizovaný s CPU, počas execute cyklu, keď

CPU nepotrebuje pamäť, môže uskutočniť DMA prenos

(ukradnúť cyklus)

– Ak je dostatok voľných cyklov a DMA prenosy sa stihnú

uskutočňovať v tých cykloch, keď CPU nepracuje s pamäťou –

transparentný DMA

146

7. 2. Riadenie I/O operácií (11)

DMAC

direct access memory controller, DMAC:
• Riadi prenos údajov v mode DMA
• Môže obsluhovať jedno alebo niekoľko I/O zariadení
• Pozostáva 5 registrov a riadiacich obvodov:

– WC = world counter, register, ktorý obsahuje počet slov, ktoré sa majú

preniesť (po každom prenose sa WC dekrementuje o 1)

– DAR = DMA address register, register obsahujúci adresu ďalšieho

slova, ktoré sa má preniesť (adresu v pamäti, odkiaľ sa má čítať, alebo

kam sa má zapisovať); automaticky sa inkrementuje o 1

– ODR = output data register, obsahuje slovo, ktoré sa má poslať na I/O

zariadenie

– IDR = input data register – do tohto registra sa ukladá slovo, ktoré

prichádza z I/O zariadenia

– DCSR = control/status register – popisuje stav DMAC a zariadení

pripojených k DMAC

147

7. 2. Riadenie I/O operácií (12)

DMAC

– DCSR:

• Device enable flag
• Done/ready flag
• Interrupt enable flag
• Error bits
• Device status bits

148

7. 2. Riadenie I/O operácií (13)

DMAC

Main

memory

CPU

DMAC

DAR

DCSR

IDR

ODR

Peripheral

device

INTR

INTA

DMAR

DMAA

149

7. 2. Riadenie I/O operácií (14)

DMA handshaking protocol

• DMA prenos:

– CPU spracuje INTR a ak je možný DMA prenos inicializuje ho

(nastaví WC, DAR a DCSR) a pošle signál INTA

– DMAC vyšle DMAR (DMA request) signál CPU, aktivizuje

• MR (memory read) alebo
• MW (memory write) a
• Pripraví registre IDR alebo ODR

– Ak je možný DMA prenos CPU vyšle signál DMAA (DMA

acknowledge) uvoľní údajovú zbernicu (CPU môže uvoľniť

zbernicu po každom ukončenom prenose a DMAA nemusí byť

len odpoveďou na DMAR)

– Potom sa v cykle, riadenom WC uskutoční DMA prenos

150

7.3. Prenos údajov (1)

• Základné otázky

– Formát prenosu údajov

• Sériový
• Paralelný

– Spôsob prenosu údajov

• Synchronizovaný
• asynchrónny

151

7.3. Prenos údajov (2)

Sériový prenos
• 1 prenosová linka
• Údaje treba transformovať z paralelného na sériový tvar pomocou

interface a naopak

• Prenos na väčšie vzdialenosti
• Pripojenie pomalších zariadení
• Lacnejší ale pomalší

Paralelný prenos
• Viac paralelných prenosových liniek
• Prenáša sa viac bitov naraz
• Prenos na kratšie vzdialenosti
• Pripojenie rýchlejších zariadení
• Rýchlejší ale drahší

152

7.3. Prenos údajov (3)

•

Okrem údajových liniek sa pri prenose používajú aj riadiace linky

•

Pomocou riadiacich liniek sa prenášajú riadiace signály

Synchronizovaný prenos
•

CPU na adresovú zbernicu pošle adresu zariadenia

•

Na riadiacej zbernici nastaví WRITE = 1

•

Na údajovú zbernicu dá údaje

•

I/O zariadenie musí údaje zo zbernice prečítať, kým je WRITE = 1

•

Podobne pri čítaní údajov z I/O zariadenia (CPU nastavuje na riadiacej

zbernici READ = 1)

Problémy
•

I/O zariadenia musia informáciu spracovať, kým je READ alebo WRITE = 1

•

I/O zariadenia majú rozličné rýchlosti:

– Synchronizačné signály budú mať rozličnú dĺžku
– Dĺžka synchronizačného signálu stačí pre najpomalšie zariadenie

153

7.3. Prenos údajov (4)

Asynchrónny prenos údajov
•

Po riadiacich linkách sa prenášajú signály koordinujúce činnosť

vysielajúceho (V) a prijímajúceho (P) zariadenia

•

Riadiace signály: protokol (hanshaking protocol)

•

Všeobecný príklad:

– V: request
– P: ak je pripravený : acknowledge
– V: inicializácia prenosu, samotný prenos
– P: po prijatí údajov: Data valid (data received)
– V: ukončenie prenosu

•

Príklad zápisu údajov na I/O zariadenie:

– CPU: údajová zbernica = údaje, adresová = adresa I/O zariadenia, riadiaca:

WRITE = 1

– I/O zariadenie: prečíta údaje z údajovej zbernice, po prečítaní nastaví riadiaci

signál DATA RECEIVED na 1

– CPU nastaví WRITE = 0, odstráni adresu I/O zariadenia z adresovej zbernice a

údaje zo zbernice

– I/O nastaví DATA RECEIVED = 0

154

7.3. Prenos údajov (5)

Porovnanie synchronizovaného a asynchrónneho

prenosu údajov:

• Synchronizovaný prenos

– Rýchlejší
– Menej riadiacich liniek
– Problémy s rozličnými rýchlosťami periférií

• Asynchrónny prenos

– Pomalší
– Komplikovanejšie riadenie
– Flexibilnejší (možnosť pripojenia zariadení s

rozličnými rýchlosťami)

155

7.4. Princípy operácií prenosu údajov

(programmed I/O)

CPU pravidelne testuje stavový bit I/O zariadenia, aby

zistila, či je zariadenie pripravené na prenos údajov

Ak áno, CPU nastaví (napr.) WRITE=1, slovo z

pamäte sa uloží do registra CPU a potom sa pomocou

operácie OUT prenesie na I/O zariadenie. Pri čítaní z

I/O CPU nastaví READ=1 a pomocou operácie IN

prenesie slovo z I/O zariadenia do CPU registra a

odtiaľ následne do pamäte

CPU čaká, kým I/O zariadenie oznámi, že operácia

prenosu údajov je ukončená

156

7.4. Princípy operácií prenosu údajov

(interrupt I/O).

I/O zariadenie požiada o prerušenie (vyšle INTR)

CPU zistí, či je žiadosť o prerušenie maskovaná.

•

Ak áno, v danom okamihu sa ňou nezaoberá.)

•

Ak nie, CPU zistí, či prebiehajúci program nemá vyššiu prioritu, ako

žiadosť o prerušenie.

•

Ak áno, žiadosťou sa v danom okamihu nezaoberá.

•

Ak nie, zistí, či žiadosť I/O má najvyššiu prioritu spomedzi

všetkých aktuálnych žiadostí o prerušenie (ak nie, žiadosťou I/O

sa v danom okamihu nezaoberá, ak áno goto 3)

CPU pošle I/O zariadeniu INTA a prečíta interrupt vektor

CPU uloží PSW do zásobníka

CPU prejde na adresu príslušného interrupt handlera

Po obslúžení prerušenia CPU prečíta hodnotu PSW zo zásobníka

a vracia sa pôvodne vykonávanému programu

157

7.4. Princípy operácií prenosu údajov

(DMA)

CPU inicializuje registre
1.

WR = počet slov, ktoré sa majú preniesť

DAR = počiatočná adresa v pamäti, odkiaľ sa má čítať, alebo kam

sa má zapisovať

DSCR

Keď sa naplní IDR (alebo vyprázdni ODR) nastaví sa DMAR.

Potom (zápis)

•

MAR:=(DAR)

•

MBR:=(IDR)

CPU pošle DMAA signál a DMAC

–

WC:=(WC) -1

–

DAR:=(DAR) + 1

–

WC = 0 ?

–

Ak WC = 0, DMAC generuje signál INTR, signalizujúci ukončenie

procesu

–

Ak WC ≠ 0 goto 4

158

7.5. Device interfacing

• Parametre periférnych zariadení a CPU sa výrazne líšia (rýchlosť,

formát údajov)

• Periférne zariadenia nemožno na počítač pripojiť priamo
• Na prekonanie týchto rozdielov sa používa

– Interface
– Riadiace obvody
– Riadiaci softvér

• Interface = hardvér potrebný na pripojenie periférneho zariadenia a

jeho riadiacich obvodov na zbernicu

• Device controller (radič zariadenia) – spracováva status a príkazy

periférneho zariadenia

• Základná funkcia interface: synchronizovať prenos údajov medzi

periférnymi zariadeniami a CPU (≠ synchronizácia I/O zariadenia a

CPU)

159

7.5. Device interfacing

•

Interface – dve časti:

–

Device dependent – obsluhujúca periférne zariadenie

–

Device independent – obsluhujúca CPU (pripájajúca interface

unit na zbernicu)

•

Vo väčšine prípadov sa používajú štandardné

interfaces, v špeciálnych prípadoch treba navrhovať

vlastné (UART = Universal Asynchronous Receiver

Transmitter, USART = Universal Synchronous

Asynchronous Receiver Transmitter)

160

7.5. Device interfacing

• Funkcie interface:

1. Sprístupňovať status periférnych zariadení CPU
2. Schopnosť generovať INTR a/alebo DMA
3. Signalizuje CPU ukončenie operácie a/alebo chyby počas

prenosu

4. Prenos CPU inštrukcií periférnemu zariadeniu
5. Ukladanie údajov do buffra (pri prenose medzi CPU/pamäťou a

periférnym zariadením)

6. Test parity a hlásenie chyby, niekedy aj opravovanie chýb
7. Kódovanie a dekódovanie údajov
8. Konverzia medzi sériovým a paralelným formátom údajov

161

7.5. Device interfacing

štruktúra interface (1)

Memory

CPU

A D C

Control unit

I/O

device

Receivers,

Drivers/buffers

decoders

Handshaking

Logic control

Tranceivers,

Drivers, buffers

ODR

IDR

DAR

INTR

INTA

RSR

WCR

RIDR

WODR

DMAR

DMAA

DMR/W

IOR/W

ACK

Command/

Output data

Status/

Input data

Control

data

DMAC

162

7.5. Device interfacing

štruktúra interface (2)

• Tri zbernice:

– A = Address
– D = Data
– C = Control

• Na každú zbernicu je pripojený

– Bus receiver – register, ktorý uchováva vstupné údaje tak dlho,

ako je potrebné

– Bus transceiver – obvod, ktorý sa používa pre obojsmernú

zbernicu a môže slúžiť ako receiver alebo transceiver/transmitter

– Bus driver/buffer – slúži na umiestňovanie údajov na zbernicu

(tristabilné zariadenie, ktoré sa môže odpojiť od zbernice)

• Interface adresovej zbernice obsahuje aj dekóder (aby

sa dalo určiť, ktorý register adresuje daná I/O inštrukcia)

163

7.5. Device interfacing

štruktúra interface (3)

• Riadiaca zbernica má viacero liniek:

– Handshaking signals (INTR,INTA,ACK)
– I/O read/write
– DMA signály (DMAR,DMAA, DMA memory read/write)

• Časť DMA:

– CR (control register) – ukladajú sa doň inštrukcie a informácia pre

periférne zariadenia

– SR (status register) – stav zariadenia a informácia o chybách
– IDR, ODR – vstupný a výstupný buffer

• Vstup údajov

– Periférne zariadenie pošle slovo, to sa uloží do IDR
– V SR sa nastaví flag data_ready
– Ak je interrupt_enable flag v CR nastavený na 1, pošle sa CPU

žiadosť o prerušenie INTR, aby CPU umožnila vstup údajov (interrupt

I/O)

164

7.5. Device interfacing

štruktúra interface (4)

• Výstup údajov

– Výstupné slovo sa uloží do ODR
– Testuje sa pripravenosť periférneho zariadenia (v SR má

nastavený bit device_ready)

– Ak je device_ready, slovo z ODR sa pošle na periférne

zariadenie

– Ak device_ready=0 (zariadenie nie je pripravené, alebo

zariadenie nie je zapnuté) čaká sa, alebo sa vyhlási chyba

• Operácie vstupu a výstupu riadi handshaking logic unit

pomocou 4 signálov:

– WCR – write control register
– RSR – read status register
– RIDR – read input data register
– WODR – write output data register

165

7.6. System resident I/O processors

• CPU je najzložitejšia, najrýchlejšia a najdrahšia časť počítača
• Je zbytočné zaťažovať ju I/O operáciami
• I/O operácie riadi špeciálny radič, I/O kanál
• I/O kanál môže obsluhovať jedno alebo viacero I/O zariadení
• Ďalšie zdokonalenie: I/O operácie riadi I/O procesor IOP

(=univerzálny procesor, určený na spracovanie I/O relatívne

nezávisle od CPU)

• Problém: viacero procesorov (CPU,IOP) multiprocesorová

konfigurácia, bude potrebné riešiť prideľovanie spoločných zdrojov a

koordináciu činnosti

166

7.6. I/O kanál (1)

•

I/O kanál je špeciálny procesor na sprostredkovanie spojenia

viacerých I/O zariadení s pamäťou (DMAC obsluhuje len jedno I/O

zariadenie)

•

Vie odhaľovať a opravovať chyby, formátovať údaje, kódovať a

dekódovať

•

Systém obsahujúci I/O kanály je zvyčajne hierarchicky

usporiadaný: každý I/O kanál obsluhuje buď jedno rýchle, alebo

niekoľko pomalých periférnych zariadení

•

I/O kanály sú pripojené na spoločnú (systémovú zbernicu)

•

O tom, kto bude ovládať zbernicu rozhoduje bus controller

•

Činnosť I/O kanálu:
1. Vyberie I/O zariadenie a preverí jeho stav
2. Vykonáva program na realizáciu I/O operácií
3. Definuje oblasti v hlavnej pamäti, kam sa zapisuje, alebo odkiaľ sa číta
4. Poskytuje možnosti formátovania, kódovania a dekódovania údajov
5. Control end-of-transfer činnosti

167

7.6. I/O kanál (2)

• Jeden I/O kanál môže obslúžiť viacero I/O zariadení
• Multiplexer channel: funguje tak, že prepína medzi

viacerými I/O zariadeniami a údaje z nich prichádzajúce

dáva dokopy (character interleaving):

– A: abcd...
– B:abcd...
– C:





...

– D: aabbccdd...
– Keď sa multiplexer channel dostane do ťažkostí (nestíha)

prepne sa do havarijného módu, nechá jedno I/O zariadenie
dokončiť prenos a neprepína

medzi rozličnými I/O zariadeniami

168

7.6. I/O kanál (3)

• Iné riešenie: selector channel

– Hardvérová organizácia podobná ako DMAC (byte counter,

MAR, MBR, DAR, S/CR)

– Vyberie I/O zariadenie, ktorému priradí I/O kanál. Toto

priradenie zostáva v platnosti, kým dané zariadenie neukončí

prenos údajov

• Kombinácia multiplexer a selector channel = block

multiplexer channel

– Funguje ako rýchly multiplexer channel, ale namiesto znakov sa

prenášajú bloky údajov (používa sa na zariadenia ako disky,

pásky, kde je potrebný nejaký čas na vyhľadanie informácie, ale

potom je už prenos údajov rýchly)

169

7.7. Konfigurácia multiprocesorového

systému (1)

• Logickým zavŕšením vývoja I/O radičov je použitie univerzálneho

procesora ako I/O procesora

• Problém – ako zapojiť viacero procesorov do fungujúceho celku
• Najjednoduchšie riešenie: spoločná zbernica

CPU

IOP

Memory

Bus controller

170

7.7. Konfigurácia multiprocesorového

systému (2)

• Multiprocesorový systém so spoločnou zbernicou:

– Prideľovanie zbernice – bus controller
– Na pridelenie zbernice sa čaká
– Vyhodnocovanie požiadaviek na pridelenie zbernice

• Sériové
• Paralelné
• Kombinované

• Organizácia multiprocesorového systému s duálnou

zbernicou (Dual bus multiprocessor organization)

– Každý má svoju vlastnú internú zbernicu, pamäť aj IOP
– Prostredníctvom System bus controller je pripojený na

systémovú zbernicu

– Takýto systém je výkonnejší, lebo v čase, keď počítač čaká na

pridelenie spoločných zdrojov (systémová zbernica) môže čosi

robiť s lokálnymi údajmi

171

7.7. Konfigurácia multiprocesorového

systému (3)

IOP

memory

CPU

IOP

Common

memory

System bus

controller

System bus

controller

System bus

controller

System bus

Computer No. 2

Computer No. 3

172

7.7. Konfigurácia multiprocesorového

systému (4)

• Iné riešenie prepojenia procesorov a spoločných zdrojov: switching

(crossbar) matrix interconnection scheme (obr.)

• Prepínač sa aktivizuje, ak procesor umiestni na zbernicu číslo

pamäťového modulu

• Ak daný modul nie je už priradený, prepínač spojí procesor s

pamäťou

• Ďalšie možné riešenie: pamäte s viacerými portami – drahé

• Delenie multiprocesorových systémov

– Voľne viazané (veľké vzdialenosti)
– Silne viazané (malé vzdialenosti) – na vzájomnú komunikáciu používajú

o.i. Mailbox (poštovú schránku)

173

7.7. Switching (crossbar) matrix

interconnection scheme

IOP

CPU

Memory 1

Memory 2

174

7.8. I/O Processor (IOP) (1)

• Je to síce autonómny procesor, ale jeho funkcie závisia od toho,

ako je multiprocesorový systém organizovaný

• Systém môže byť organizovaný ktorýmkoľvek z vyššie uvedených

(a zrejme aj iných) spôsobov

• IOP môže byť aj (trochu) závislý od CPU – vtedy potrebuje CPU na

odštartovanie I/O operácií a rozhodovanie o I/O činnostiach

• IOP môže byť viazaný na pevnú skupinu I/O zariadení, alebo

pomocou crossbar matice pripojený na viacero I/O zariadení

175

7.8. I/O Processor (2)

• IOP je univerzálny procesor použitý na špeciálne účely (riadenie I/O

operácií)

• Inštrukčný súbor IOP pozostáva z

– inštrukcií na prenos údajov
– Univerálnych inštrukcií (aritmetické, logické a iné inštrukcie

všeobecného charakteru)

– Riadiacich inštrukcií pre I/O zariadenia

• Formát inštrukcie IOP (na prenos údajov)

– Operačný kód (typ požadovanej operácie prenosu)
– Adresa pamäte
– Word count (počet slov)
– Control field (v inštrukciách určených pre špeciálne I/O zariadenia)
– Status field

176

7.8. Komunikácia CPU - IOP

• Komunikačný protokol typu hanshaking, používajú

mailbox

– IOP→ CPU : žiadosť o prerušenie (INTR)
– CPU → IOP: INTA + inštrukcia STATUS_I/O
– IOP: pošle na miesto určené inštrukciou STATUS_I/O svoj

STATUS WORD;

– CPU: Ak je I/O zariadenie READY, CPU → IOP: inštrukcia

START_I/O

– IOP: ovládne zbernicu (cycle stealing) a využíva DMA zariadenie

na prenos údajov

– CPU môže zastaviť prenos údajov pomocou inštrukcie

STOP_I/O, IOP môže prerušiť činnosť CPU pomocou INTR,...

– Je to zložité a v každom multiprocesorovom systéme to môže

byť riešené trocha inak

177

8. Pamäť

• Jedna zo základných častí počítača
• funkcia pamäte: uchovávanie informácie (údajov aj programov)
• Rozdelenie pamatí:

– Hlavná (operačná) pamäť
– Pomocná pamäť

• Operačná pamäť

– Uloženie programov a údajov, ktoré majú byť spracované CPU
– Musí byť dostupná aj používateľovi, aj CPU
– Vykonávanie programu je spojené so získavaním údajov (inštrukcií a ich

operandov) z pamäte – rýchlosť počítača závisí aj od operačnej pamäte

– Veľká operačná pamäť – viacrozmerná, pomalšia; malá –

jednorozmerná, rýchlejšia

– Realizácia operačnej pamäte – integrované obvody
– 2 typy operačnej pamate:

• RAM (Random Access Memory)
• CAM (Content Access memory)

178

8. Pamäť

• Pomocná pamäť – pomalšia, lacnejšia, energeticky

nezávislá, s väčšou kapacitou

• Slúži na uchovávanie údajov, ktoré CPU bezprostredne

nepoužíva, prenos údajov medzi počítačmi,
archivovanie,...

– SAM (Sequential Access Memory) – magnetická páska
– DAM (Direct Access memory) – disk, disketa CR ROM

179

8.1. Parametre pamäťových systémov

1. Capacity Kapacita udáva, koľko bitov je pamäť

schopná uchovať)

2. Access time (vybavovacia doba, doba

prístupu) – čas potrebný na prístup k údajom

3. Data transfer rate – počet bitov, ktoré sa dajú

prečítať za sekundu

4. Cycle time (cyklus pamäte) koľkokrát za

sekundu možno pristúpiť k pamäti

5. Cost – cena/bit

180

8.2. Zásobníková pamäť

• Slúži najmä na uchovávanie údajov pri rekurzívne

volaných procedúrach, podprogramoch, vnorených

prerušeniach, vyhodnocovaní aritmentických výrazov

• Dá sa realizovať hardvérovo, softvérovo aj kombinovane
• podstata:

– Údaje sa ukladajú na vrch zásobnika (operácia PUSH)
– Údaje sa čítajú z vrchu zásobníka (POP)
– Uloženie posunie vrch zásobníka o +1
– Pri čítaní sa odstráni najvrchnejší údaj (-1)
– Zásobník predstavuje údajovú štruktúru LIFO (last in, first out)
– Dve pomocné logické funkcie FULL(stack) a EMPTY(stack)

kontrolujú, či nechceme pridávať do plného, alebo čítať z

prázdneho zásobníka

181

8.2. Hardvérová implementácia zásobníka

(1)

• Pomocou registrov:

– k n-bitových registrov s

paralelným zápisom a

čítaním

– Register predstavuje 1

položku zásobníka

• Iné riešenie:

– N posuvných k-bitových

registrov

– PUSH a POP sa realizujú

pomocou SL a SR

– Hodnotu i-tej položky v

zásobníku predstavujú i-te

bity všetkých registrov

R k-1

POP

PUSH

182

8.2. Hardvérová implementácia zásobníka

(2)

POP (SR)

PUSH (SL)

Údaje I/O

R_n-1

183

8.2. Implementácia zásobníka pomocou

RAM

• V pamäti je vyhradený priestor na zásobník
• Pri operáciách POP a PUSH sa údaje fyzicky nepresúvajú, mení sa

len adresa vrchu zásobníka, ktorá je uložená v registri SP (stack

pointer)

• Na manažovanie zásobníka sú potrebné ešte ďalšie dva údaje:

stack base (SB) a SL (stack limit)

– SB = adresa dna zásobníka
– SL = veľkosť zásobníka

• Hardvérová realizácia zásobníka je rýchla a drahá
• Softvérovo realizovaný zásobník je pomalší, ale má väčšiu kapacitu
• Kompromis: kombinovaný zásobník – vrchná časť registre, spodná

časť – pamäť (obrázok)

• Výhoda kombinovaného zásobníka:

– za sebou idúce operácie so zásobníkom využívajú údaje uložené v

registrovej časti zásobníka (rýchlosť)

– Pamäťová časť – veľká kapacita

184

8.2. Kombinovaná implementácia zásobníka

(HP 3000 Stack)

• SB – dno
• SL – najväčšia možná adresa vrchu
• SM – vrch zásobníka v pamäti
• SR – počet použitých registrov z registrovej časti
• SP – stack pointer

185

8.3. Modulárna pamäť

• Urýchlenie vykonávania programu – paralelné

spracovanie inštrukcií

• Úzke miesto = pamäť
• Paralelné operácie s pamäťou

– Pamäte s viacerými I/O
– Modulárne organizovaná pamäť

• Modulárna pamäť:

– Rozdelená do viacerých nezávislých modulov
– Adresa sa skladá z dvoch častí:

• Vyššie bity = adresa modulu
• Nižšie bity = adresa v module

186

8.3. Modulárna pamäť

• „susedné“ informácie sú uložené v tom istom module (zápis do

stĺpca)

– Pri spracovaní programu sa pracuje s jedným modulom
– Ostatné môže využívať napr. zariadenia s DMA
– Využívajú sa celé moduly, dajú sa pridávať nové moduly

• „susedné“ informácie sú uložené v iných moduloch (zápis do

riadka), možno ich čítať súčasne

– Menej efektívne využívanie pamäte (diery)

187

8.4. Asociatívna pamäť (1)

• RAM a ROM – k údajom sa pristupuje na základe adresy

pamäťového miesta, na ktorom sú uložené

• Asociatívna pamäť

– Údaje sa porovnávajú so vzorkou
– Indikuje sa, na ktorých adresách došlo k zhode so vzorkou
– Testuje sa paralelne – pamäť je rýchla
– Nevýhoda – zložitosť a cena

• Popis asociatívnej pamäte (obr.)

– Tradičný vstup a výstup
– Argument register A (n – bitový)
– Match register M (m-bitový)
– Slová v pamäti n-bitové
– Každé svovo má 1 bit v registri M

188

8.4. Asociatívna pamäť (2)

Register A

Input

Read

Write

Output

Asociatívna

Pamäť

n-bitových
slov

189

8.4. Asociatívna pamäť (3)

• Princíp činnosti:

– Do registra A sa umiestni vzorka
– Obsah A sa porovná so všetkými M slovami pamäte
– Tam kde nastala zhoda sa do M zapíše 1 (ale podmienka sa dá

definovať aj ináč)

– Pracuje sa (číta, zapisuje) s tými miestami, ktoré majú v M –

registri 1

– Porovnávacie obvody (je ich M) sa konštruujú pomocou XOR

alebo DNF

– Obyčajne sa neporovnáva celé slovo, ale len niektoré jeho polia
– Maska (bity, ktoré chceme porovnávať) sa špecifikujú v registri

zvanom key register a hodnota týchto bitov v registri A

190

Document Outline

Slide 1
Slide 2
Slide 3
Slide 4
Slide 5
Slide 6
Slide 7
Slide 8
Slide 9
Slide 10
Slide 11
Slide 12
Slide 13
Slide 14
Slide 15
Slide 16
Slide 17
Slide 18
Slide 19
Slide 20
Slide 21
Slide 22
Slide 23
Slide 24
Slide 25
Slide 26
Slide 27
Slide 28
Slide 29
Slide 30
Slide 31
Slide 32
Slide 33
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
Slide 39
Slide 40
Slide 41
Slide 42
Slide 43
Slide 44
Slide 45
Slide 46
Slide 47
Slide 48
Slide 49
Slide 50
Slide 51
Slide 52
Slide 53
Slide 54
Slide 55
Slide 56
Slide 57
Slide 58
Slide 59
Slide 60
Slide 61
Slide 62
Slide 63
Slide 64
Slide 65
Slide 66
Slide 67
Slide 68
Slide 69
Slide 70
Slide 71
Slide 72
Slide 73
Slide 74
Slide 75
Slide 76
Slide 77
Slide 78
Slide 79
Slide 80
Slide 81
Slide 82
Slide 83
Slide 84
Slide 85
Slide 86
Slide 87
Slide 88
Slide 89
Slide 90
Slide 91
Slide 92
Slide 93
Slide 94
Slide 95
Slide 96
Slide 97
Slide 98
Slide 99
Slide 100
Slide 101
Slide 102
Slide 103
Slide 104
Slide 105
Slide 106
Slide 107
Slide 108
Slide 109
Slide 110
Slide 111
Slide 112
Slide 113
Slide 114
Slide 115
Slide 116
Slide 117
Slide 118
Slide 119
Slide 120
Slide 121
Slide 122
Slide 123
Slide 124
Slide 125
Slide 126
Slide 127
Slide 128
Slide 129
Slide 130
Slide 131
Slide 132
Slide 133
Slide 134
Slide 135
Slide 136
Slide 137
Slide 138
Slide 139
Slide 140
Slide 141
Slide 142
Slide 143
Slide 144
Slide 145
Slide 146
Slide 147
Slide 148
Slide 149
Slide 150
Slide 151
Slide 152
Slide 153
Slide 154
Slide 155
Slide 156
Slide 157
Slide 158
Slide 159
Slide 160
Slide 161
Slide 162
Slide 163
Slide 164
Slide 165
Slide 166
Slide 167
Slide 168
Slide 169
Slide 170
Slide 171
Slide 172
Slide 173
Slide 174
Slide 175
Slide 176
Slide 177
Slide 178
Slide 179
Slide 180
Slide 181
Slide 182
Slide 183
Slide 184
Slide 185
Slide 186
Slide 187
Slide 188
Slide 189
Slide 190

Automaticky vygenerovaný textový náhľad. Pre plné formátovanie si stiahnite súbor.

Poznamky - letny semester

Preber si túto poznámku so svojou AI

Náhľad poznámky

Document Outline

Ďalšie poznámky z predmetu Princípy PC