Przykładowe pytania z “Architektury systemów komputerowych”

część 1

A. Podstawowe zasady działania komputera.

1. Omówić koncepcje programu w modelu komputera wg. von Neumanna.

   Przyjęty pewien podstawowy zbiór operacji i każdej operacji przypisano ustalony kod w postaci ciągu zero-jedynkowego.

   Operacje zdefiniowane na ciągu podstawowym nazywane są rozkazami lub instrukcjami procesora. Każdy rozkaz ma przypisany kod zerojedynkowy . Podstawowy zbiór operacji procesora jest zazwyczaj nazywany listą rozkazów procesora.

   W takim ujęciu algorytm obliczeń przedstawiony jest za pomocą operacji ze zbioru podstawowego. Algorytm zakodowany jest w postaci sekwencji ciągów zero-jedynkowych zdefiniowanych w podstawowym zbiorze operacji – tak zakodowany algorytm nazywa się programem w języku maszynowym

   Program przechowywany jest w pamięci, wykonywanie programu polega na przesyłaniu kolejnych ciągów zerojedynkowych z pamięci głównej do układu sterowania procesora. Zadaniem układu sterowania, po odczytaniu takiego ciągu, jest wygenerowanie odpowiedniej sekwencji sygnałów kierowanych do poszczególnych podzespołów, tak aby w rezultacie wykonać wymaganą operacje.

   KONCEPCJA PROGRAMU PRZECHOWYWANEGO W PAMIĘCI STANOWI KLUCZOWY ELEMENT MODELU VON NEUMANNA.

2. Wyjaśnić znaczenie terminu lista rozkazów procesora.

   Lista rozkazów procesora jest to podstawowy zbiór rozkazów realizowanych przez procesor.

3. Na czym polega różnica pomiędzy pamięcią fizyczną a pamięcią wirtualną

   Pamięć fizyczna to pamięć bezpośrednio zainstalowana w komputerze, natomiast pamięć wirtualna oznacza pamięć udostępnioną przez system operacyjny. Pamięć wirtualna to pewne odwzorowanie, “iluzja” pamięci rzeczywistej (fizycznej).

   W szczególności pamięć wirtualna może być większa od pamięci fizycznej, pamięć wirtualna jest również spójna – dzięki mechanizmowi stronicowania – nie podlega problemom fragmentacji. (?)

4. Jaką rolę w trakcie wykonywania programu przez procesor pełni wskaźnik instrukcji (licznik rozkazów)?

   Wskaźnik instrukcji określa położenie w pamięci położenie aktualnie wykonywanego rozkazu. Służy on zatem do określania który rozkaz jest wykonywany – po zakończeniu danego rozkazu wskaźnik instrukcji jest zwiększany o długość danego rozkazu. (?)

5. W jaki sposób zmienia się zawartość wskaźnika instrukcji w trakcie wykonywania różnych rozkazów.

   Zawartość wskaźnika instrukcji jest zwiększana o długość (rozmiar rozumiany jako ilość zajętej przez rozkaz pamięci) rozkazu.

   Rozkazy mają różną długość – mogą być jednobajtowe (inc), lub kilkubajtowe (mov) (?)

6. Omówić funkcje dwóch dowolnych znaczników spośród zainstalowanych w rejestrze znaczników (rejestrze flag)

   CF – (carry flag) – znacznik przeniesienia ustawiany w przypadku wystąpienia nadmiaru przy operacjach arytmetycznych (suma, różnica, iloczyn – add, sub, mul)

   ZF – (zero flag) – znacznik zera – ustawiany kiedy wynik operacji arytmetycznej jest równy zeru.

7. Omówić podstawowe elementy architektury koprocesora arytmetycznego

   (?)

B. Kodowanie danych i instrukcji

1. Omówić różne rodzaje kodowania liczb binarnych.

   całkowite:
   - binarne(unsigned)
   - znak moduł
   - U2
   - BCD - Binary Coded Decimals
   z przecinkiem:
   - stałoprzecinkowe, format na bitach:
   znak | część całkowita, bity o wagach 2⁹ do 2⁰ | część ułamkowa, 2^-1 do 2^-5
   - zmienno przecinkowe, formaty 32, 64 i 80 bitowe:
   32: znak | 8 bitów wykładnika | 23 bity mantysy ; znak*(mantysa + 1)*2^{wykładnik-127}
   64: znak | 11 bitów wykładnika | 52 bity mantysy ; znak*(mantysa + 1)*2^{wykładnik-1023}
   80: znak | 15 bitów wykładnika | 64 bity mantysy ; znak*mantysa*2^{wykladnik-16383}
   uwagi:
   1. w wykładniku odejmuje się podane wartości, aby nie trzeba było wprowadzać dodatkowego bitu na znak wykładnika
   2. w formacie 80 bitowym część całkowita mantysy występuje w postaci jawnej nie musimy więc dodawać 1

2. Porównać w przybliżeniu zakresy liczb, które mogą być kodowane w postaci binarnej jako liczby bez znaku na 16 lub 32 bitach

   16 bit --> [ 0 ; 65536 ]

   32 bit --> [ 0 ; 4294967296 ]

3. W jaki sposób w procesorach Pentium sygnalizowane jest wystąpienie nadmiaru w operacjach dodawania, odejmowania ?

   W przypadku liczb liczb bez znaku przy wystąpieniu nadmiaru ustawiany jest znacznik CF

   Dla liczb ze znakiem ustawiany jest znacznik OF

4. Przedstawić w postaci graficznej schemat konwersji liczb 32 – bitowych zapisanych w pamięci wg. reguły mniejsze wyżej na postać mniejsze niżej.

   (?)

5. Omówić technikę porównywania liczb stałoprzecinkowych stosowaną w procesorach Pentium.

   (?)

6. Dlaczego obliczenia na liczbach stałoprzecinkowych są kłopotliwe jeżeli działania wykonywane są na wartościach bardzo dużych i bardzo małych?

   Ponieważ zachodzi problem ustalenia miejsca umownego przecinka oddzielającego część całkowitą liczby od części ułamkowej. Dla liczb bardzo małych liczba bitów przypadających na część ułamkową powinna być względnie duża, w przypadku liczb dużych natomiast duża powinna być ilość bitów przypadających na część całkowitą. Przy obliczeniach zachodzi potrzeba kompromisu – co jest problematyczne.

7. Co oznacza termin 'wartości specjalne' używane w kontekście koprocesora arytmetycznego

   Podczas wykonywania obliczeń czasami konieczne jest posługiwanie się takimi wartościami jak zero i nieskończoność – wystąpienie takich wartości czasami powinno nie wiązać się z załamaniem programu (wygenerowania wyjątku przez procesor). Dlatego zero jak i nieskończoność określono jako wartości specjalne. Charakteryzują się one występowaniem samych zer lub samych jedynek w polu mentysy. Obliczenia prowadzone z wykorzystaniem wartości specjalnych nie prowadzą do wygenerowania wyjątku procesora (przy ustawionym zezwoleniu na wykonywanie takich operacji). Wynik obliczeń, w których została wykorzystana liczba określana jako wartość specjalna jest też wartością specjalną.

8. Omówić format 32-bitowych liczb zmiennopozycyjnych (pole mentysy zawiera 23bity, pole wykładnika 8bitów)

   Liczby zmiennopozycyjne zapisywane są jako | bit znaku | wykładnik | mentysa | gdzie

   a wykładnik wielkością tak dobraną aby mentysa zawierała się w przedziale [1, 2]

   Zastosowanie liczb zmiennopozycyjnych pozwala na prowadzenie obliczeń na liczbach zarówno bardzo małych jaki i bardzo dużych – nie zachodzi tutaj problem ustalenia pozycji umownego przecinka i kompromisów związanych z ustaleniem tej pozycji.

9. Omów zasady wykonywania operacji arytmetycznych na stałoprzecinkowych liczbach wielokrotnej długości.

10. Liczby wielokrotnej długości – liczby kodowane na ilości bitów będącej wielokrotnością rozmiarów rejestrów używanych przy obliczeniach.

    Wykonywanie obliczeń na liczbach wielokrotnej długości opiera się na podzieleniu ich na fragmenty o długości odpowiadającej poszczególnym rejestrom, oraz przeprowadzenia obliczeń na tych fragmentach przy użyciu flagi przeniesienia (CF) jako rejestru zawierającego najmniej znaczący bit przy kolejnych operacjach.

    Przykładowo, jeżeli chcielibyśmy przeprowadzić obliczenia na liczbach 24bitowych:

    mov ah, mniej_znacząca_część_pierwszej_liczby

    mov al, środkowa_część_pierwszej_liczby

    mov bh, bardziej_znacząca_część_pierwszej_liczby

    mov bl, mniej_znacząca_część_drugiej_liczby

    mov ch środkowa_część_drugiej_liczby

    mov cl bardziej_znacząca_część_drugiej_liczby