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

Realizacja przetwarzania w procesorze wymaga skierowania do odpowiednich podzespołów procesora odpowiednich sygnałów. A żeby to było możliwe, program musi być przekształcony na poprawną sekwencję sygnałów, oddziałujących na sprzęt. Program musi być bezpośrednio dostępny, by od razu po zakończeniu jednej operacji, można było zacząć niezwłocznie drugą. Wynika z tego między innymi fakt, że program przechowywany w pamięci musi być zakodowany w postaci binarnej. Sam program składa się z ciągu poleceń, zakodowanych w sposób zrozumiały dla procesora. Ponadto, program może się sam modyfikować traktując obszar instrukcji jako dane, a po przetworzeniu tych instrukcji (danych) - zacząć je wykonywać.

2. Wyjaśnić znaczenie terminu lista rozkazów procesora.

Jest to podstawowy zbiór operacji procesora. Operacje takie są rozkazami, albo instrukcjami. Każdy rozkaz ma przypisany kod 0-1. Przekazanie instrukcji takiego kodu w formie bajtu 01000010 powoduje zwiększenie o 1 liczby EDX, a przekazanie bajtu 01001010 - zmniejszenie liczby o 1. Do zbioru podstawowych operacji należą 4 działania arytmetyczne, operacje logiczne na bitach (negacja, suma, iloczyn), operacje przesyłania, operacje porównania.

3. Na czym polega różnica między pamięcią fizyczną i pamięcią wirtualną w komputerze?

Rozkazy odczytujące dane z pamięci operacyjnej zawierają informacje o adresie danej w pamięci. W wielu procesorach ten adres ma postać adresu fizycznego i jednoznacznie wskazuje komórkę pamięci, gdzie znajduje się potrzebna dana. W kontekście systemów wielozadaniowych jest to niepraktyczne, dlatego z czasem wyłoniła się koncepcja pamięci wirtualnej, będącej iluzją pamięci fizycznej. Zbiór wszystkich adresów w pamięci wirtualnej nosi nazwę wirtualnej przestrzeni adresowej. Transformacja adresów wirtualnych na fizyczne jest procesem dość skomplikowanym, ale problemy te zostały rozwiązane z czasem i wydłużenie działania programu nie przekracza kilku %.

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

Jest to rejestr, który informuje o położeniu kolejnej instrukcji, więc ma bardzo duży wpływ na precyzję procesu pobierania kolejnych instrukcji z pamięci operacyjnej i ich realizowania. Natychmiast po tym procesor musi pobierać z pamięci następną instrukcję.

5. Omówić klasę rozkazów (instrukcji) procesora, które mają zdolność do zmiany naturalnego porządku wykonywania rozkazów.

Do zmiany naturalnego porządku używane są rozkazy sterujące, nazywane zazwyczaj rozkazami skoku, których zadaniem jest sprawdzenie pewnego warunku, np. czy znacznik ZF zawiera wartość 1. Zmiana jest realizowana poprzez zwiększenie, lub zmniejszenie zawartości wskaźnika instrukcji (rejestru EIP). Taką zmianę wykonują też rozkazy sterujące bezwarunkowe. Wtedy nie muszą być spełnione żadne warunki.

7. Czym różnią się rozkazy sterujące warunkowe od bezwarunkowych?

Rozkazy bezwarunkowe służą do zmiany porządku wykonywania instrukcji (w przeciwieństwie do warunkowych - nie wykonują żadnego sprawdzenia, przyjmują, że

testowany warunek jest zawsze spełniony).

8. Omówić podstawowe zasady modyfikacji adresowych.

Adres komórki pamięci, na której wykonywana jest operacja podaje się w polu adresowym rozkazu. Dodatkowo można zażądać, aby adres podany w polu adresowym został doraźnie zwiększony o liczbę podaną w jednym z rejestrów procesora - ten mechanizm to modyfikacja adresowa. Rozkaz wykona działanie na komórce pamięci o adresie stanowiącym sumę liczby podanej w polu adresowym i zawartości rejestru.

1. Omówić różne rodzaje kodowania liczb binarnych w komputerze.

W przypadku liczb całkowitych bez znaków stosowany jest naturalny kod binarny, wartość liczby określa gdzie m oznacza liczbę bitów rejestru lub komórki pamięci. W przypadku liczb ze znakiem, kodowanych w systemie U2, wartość liczby określa formuła:

gdzie m oznacza liczbę bitów rejestru lub komórki pamięci. W przypadku kodowania w systemie BCD, każdy upakowany bajt zawiera dwie cyfry

dziesiętne, za to nie upakowany bajt zawiera jedną cyfrę dziesiętną (4 starsze bity są wyzerowane). Liczby zmiennoprzecinkowe kodujemy za pomocą mantysy i wykładnika.

mantysa * 2^wykładnik, gdzie wartość bezwzględna mantysy należy do przedziału [1,2).

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

liczby 16-bitowe <0, 65535> liczby 32-bitowe <0, 4 294 967 295>

3. Na czym polega kodowanie liczb w systemie znak-moduł?

W tym systemie kodowania skrajny lewy bit określa znak liczby, a pozostałe - wartość bezwzględną liczby. Jest to sposób stosowany w głównie w arytmetyce

zmiennoprzecinkowej. Kodowanie to opisuje poniższe wyrażenie:
m - liczba znaków rejestru lub komórki pamięci, a s - wartość bitu znaku.

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

W przypadku obliczeń na bardzo małych i dużych wartościach wymaga przyjęcia formatu, który będzie w stanie przedstawić bardzo dużą część całkowitą (np. 24 bity), ale także bardzo małą część ułamkową (np. 40 bitów). Łącznie daje to 64 bity, czyli 8 bajtów. Wiele z tych bitów zostaje zatem wypełniona zerami. Dla bardzo dużych liczb będzie to 40 bitów, a dla bardzo małych - 24 bity.

8. Dlaczego w formatach liczb zmiennoprzecinkowych zgodnych z norma 754 nie występuje bit znaku wykładnika.

Pomija się go, ponieważ z warunku normalizacji dla liczb różnych od zero, bit ten jest zawsze równy 1.

9. Jakie działania wykonuje asembler w pierwszym i drugim przebiegu asemblacji?

Pierwszy przebieg - asembler stara się wyznaczyć ilości bajtów zajmowane przez poszczególne rozkazy i dane. Jednocześnie asembler rejestruje w słowniku symboli wszystkie pojawiające się definicje symboli (zmiennych i etykiet). Drugi przebieg - asembler tworzy kompletną wersję tłumaczonego programu określając

adresy wszystkich rozkazów w oparciu o informacje zawarte w słowniku symboli.

1. W jaki sposób interpretuje sie zawartość rejestru wskaźnika stosu ESP w procesorach zgodnych z architektura IA-32?

Rejestr ESP wskazuje wierzchołek stosu, czyli obszar 4- lub 2-bajtowy, w którym przechowywana jest ostatnio zapisana dana. Na stosie mogą być zapisywane wyłącznie

wartości 16- i 32-bitowe.

2. Co oznacza sformułowanie: "stos rośnie w kierunku malejących adresów"?

Oznacza to, że pierwszą daną na stosie zapisujemy na największym adresie, a potem wierzchołek jest przesuwany tak, że jego adres jest coraz mniejszy. Lokacje bardziej odległe od wierzchołka stosu mają większe adresy.

3. Omówić drogi i sposoby przekazywania parametrów do podprogramów.

Istnieją dwa podstawowe sposoby przekazywania parametrów do podprogramów:- przekazywanie przez wartość - do podprogramu jest bezpośrednio przekazywana wartość.

- przekazywanie przez adres - podprogramu przekazywany jest adres lokacji pamięci, w którym znajduje się wymagana wartość.

Drogi przekazywania parametrów: przez rejestry, przez stos, przez ślad, przez bufory.

4. Omówić zasady działania rozkazów CALL i RET.

CALL - odpowiedzialny za zapamiętywanie śladu. Występuje w wersji z adresowaniem bezpośrednim i pośrednim. wywołuje podprogram i zostawia ślad na stosie.

RET - po zakończeniu wykonywania podprogramu zdejmuje z wierzchołka stosu ślad zostawiony przez CALL i wraca do programu głównego.

5. W jakim celu rozkaz wywołania podprogramu pozostawia ślad na stosie?

Ślad jest zostawiany, ponieważ program musi wiedzieć, do którego miejsca w programie głównym ma wrócić po wykonaniu podprogramu. [adres powrotu]

6. W jaki sposób w programie wywołuje sie funkcje usługowe systemu operacyjnego?

Funkcje usługowe OSu mogą zostać wywołane w programach napisanych w językach wysokiego poziomu, jak również w programach napisanych w asemblerze. Wywołanie usługi systemu operacyjnego lub funkcji bibliotecznej realizowane jest za pomocą rozkazu CALL.

7. Wyjaśnić znaczenie terminu interfejs programowania aplikacji (ang. API - Application Programming Interface).

Jest to interfejs określający sposób porozumiewania się OSu z programem. Zawiera on szczegółowe informacje o wymaganych parametrach i sposobach przekazywania ich do podprogramów systemowych.

1. Wyjaśnić różnice w sposobie komunikacji procesora z urządzeniami zewnętrznymi poprzez pamięć współadresowalna i poprzez porty.

Sterowanie pracą urządzeń jest realizowane za pomocą podzespołów tworzących układy wej/wyj. Stosowane są 2 metody dostępu do zawartości rejestrów układów wej/wyj:

- rejestry są udostępniane jako zwykłe komórki pamięci w przestrzeni adresowej pamięci. [współadresowane układy wejścia/wyjścia - 1]

- rejestry dostępne są w odrębnej przestrzeni adresowej zwanej przestrzenią adresową portów. [izolowane wej-wyj - 2]

1- można odczytywać i zapisywać rejestry urządzenia tak samo jak zwykłe komórki pamięci, np. za pomocą instrukcji MOV.

2- konieczne jest zdefiniowanie odrębnych rozkazów przesyłania, działających w przestrzeni adresowej portów; dla IA-32 tę rolę pełnią rozkazy IN i OUT.

2. W jakim celu przed rozpoczęciem obsługi przerwania sprzętowego na stosie zapisywany jest ślad ?

Ślad jest zapisywany na stosie, aby procesor, który dostał sygnał przerwania podczas wykonywania bieżącego programu, mógł bez problemów później wrócić do wykonywania tego zadania, po wykonaniu zadania zleconego w momencie otrzymania sygnału przerwania.

3. Omówić podstawowe elementy systemu przerwań stosowanego w komputerach PC.

Procesor po otrzymaniu sygnału przerwania przerywa wykonywanie bieżącego programu i rozpoczyna wykonywanie innego programu, związanego z obsługą zdarzenia. Ponieważ po pewnym czasie procesor wróci do wykonywania przerwanego programu, procesor zapisuje na stosie ślad, zawierający adres rozkazu, który miał zostać wykonany jako następny, ale na razie nie jest ze względu na przerwanie. Po wykonaniu tych działań procesor wraca do wykonywania przerwanego programu. W komputerach system przerwań obsługiwany jest przez układ APIC, który wspomaga też pracę wieloprocesową. System przerwań jest realizowany jedynie przez OS.

4. Jaka role w obsłudze przerwań sprzętowych pełni tablica deskryptorów przerwań?

Tablica deskryptorów przerwań zawiera adresy podprogramów obsługi przerwań sprzętowych wysyłanych przez różne urządzenia komputera. Zawiera także adresy podprogramów obsługujących wyjątki procesora, a także adresy podprogramów systemowych, które wywoływane są z poziomu aplikacji za pomocą rozkazu INT.

5. Na czym polega różnica miedzy przerwaniami sprzętowymi a wyjątkami generowanymi przez procesor?

Wyjątki to przerwania, które są generowane przez sam procesor i nie są zależne od działań użytkownika.

1. W jakim podzespole komputera wykorzystuje sie obserwacje znane jako zasada lokalności?

Pamięć podręczna procesora.

2. Co oznaczają terminy trafienie i chybienie w odniesieniu do pamięci podręcznej?

Trafienie - cache hit - potrzebna informacja została odnaleziona w pamięci podręcznej. Chybienie - cache miss - potrzebnej informacji nie ma w pamięci podręcznej. Jest ona wtedy pobierana z pamięci głównej, przy czym jednocześnie jest zapisywana do podręcznej w postaci całego bloku.

3. Na czym polega technika dostępu do pamięci podręcznej z odwzorowaniem bezpośrednim?

W tej technice nie występuje konieczność jednoczesnego porównywania wielu etykiet. 32-bitowy adres pamięci jest dzielony na 3 pola: 16-bitowe pole etykiety, 12-bitowe pole obszaru (nr linii) i 4-bitowe pole słowa (adres wewnątrz bloku). Na podstawie pola obszaru wyznaczany jest numer linii w pamięci podręcznej. Jeśli pole etykiety wewnątrz linii pamięci podręcznej i pole etykiety w adresie są identyczne, to nastąpiło trafienie.

5. W jaki sposób implementuje sie pamięć wirtualna za pomocą stronicowania.

Głównym elementem implementacji pamięci wirtualnej jest tablica transformacji adresów, która zarządzana jest przez OS. Cała pamięć podzielona jest na obszary zwane stronami (4KB, 4MB). Dla każdego adresu wirtualnego w tablicy transformacji istnieje wiersz, który zawiera adres fizyczny przyporządkowany adresowi wirtualnemu lub informację, że podany adres aktualnie nie jest odwzorowany w pamięci fizycznej, a potrzebna dana jest na dysku.

6. Omówić własności typowych pamięci dyskowych.

Stanowią pamięć nielotną, w której przechowywane są programy i dane przez bardzo długie okresy. Stanowią także pamięć potrzebną do implementacji pamięci wirtualnej. Pojemności zbliżają się do 1TB. Informacje zapisywane są przez zespół ruchomych głowic w postaci współśrodkowych okręgów zwanych ścieżkami. Ścieżki o tym samym promieniu stanowią cylinder. Rozpoczęcie przesyłania danych wymaga przesunięcia głowic do odpowiedniego cylindra (4-10ms), a następnie oczekiwania, aż informacja będzie dostępna do odczytu/zapisu (4-11ms). Szybkość zależy od standardu, ale typowa prędkość to 25MB/s.

7. W jaki celu tworzone są zespoły dysków RAID?

Macierze dyskowe umożliwiają tworzenie dużej i niezawodnej przestrzeni dyskowej za pomocą niedrogich, standardowych dysków.

1. Omówić koncepcje leżące u podstaw konstrukcji procesorów o architekturze RISC.

- stosunkowo niewiele trybów adresowania - formaty rozkazów stałej długości, łatwe do zdekodowania - obszerny zbiór rejestrów ogólnego przeznaczenia

- rozkazy wykonują działania na argumentach zapisanych w rejestrach - dostęp do pamięci operacyjnej umożliwiają tylko dwa rozkazy: load, store

- w niektórych procesorach RISC używane są oddzielne pamięci dla rozkazów i danych, z których każda obsługiwana jest przez oddzielne magistrale adresowe i danych.

2. Scharakteryzować trudności wykonywania rozkazów przez procesor w trybie przetwarzania potokowego.

- jeżeli dwa etapy w tym samym czasie potrzebują dostępu do tego samego zasobu procesora, to potok musi zostać zamrożony do czasu rozwiązania konfliktu

- realizacja niektórych etapów może powodować konflikty dostępu do pamięci

- jeżeli czasy trwania poszczególnych etapów mogą być niejednakowe, to na różnych etapach wystąpi oczekiwanie

- w programie występują skoki warunkowe, które mogą zmienić kolejność wykonywania instrukcji, a tym samym unieważnić kilka pobranych rozkazów

3. Omówić podstawowe zasady pracy systemów wielozadaniowych.

- poszczególne procesy wykonywane są w izolowanych obszarach pamięci operacyjnej - realizacja wielozadaniowości wymaga dzielenia czasu procesora między uruchomione zadania - system operacyjny udostępnia procesor wybranemu zadaniu na krótki odcinek czasu

- po upływie tego czasu zadanie zostaje zatrzymane, a procesor wykonuje inne zadanie, znów przez krótki odcinek czasu

4. Na czym polega różnica miedzy procesami ciężkimi a lekkimi?

Proces lekki - wątek, czyli fragment procesu. Proces ciężki - proces tradycyjny, który jest równoważny zadaniu z jednym wątkiem.

5. Czym różnią sie procesory wielordzeniowe od wielowątkowych?

Procesory wielordzeniowe, podobnie jak wielowątkowe mają rozdzielne stan procesora i obsługę przerwań dla każdego rdzenia (wątku dla wielowątkowych). Różnica polega na tym, że procesor wielowątkowy ma wspólne jednostki wykonawcze dla wątków, kiedy procesor wielordzeniowy ma rozdzielne jednostki wykonawcze dla każdego rdzenia, więc wykonywanie działań jest o wiele szybsze. Wystarcz powiedzieć, ze każdy rdzeń może być wielowątkowy. Każdy wątek nie może być wielordzeniowy.

5. Omówić technikę porównywania liczb stałoprzecinkowych stosowana w procesorach zgodnych z architektura IA 32.

W architekturze IA 32 operacje porównania wykonywane są poprzez odejmowanie porównywanych wartości i testowanie zawartości znaczników CF, ZF, OF i SF. Jeżeli

procesor wykonał odejmowanie dwóch liczb znajdujących się w rejestrach EBX i ECX, to wartość CF i ZF będą następujące:

6. Omówić funkcje znaczników CF i ZF w rejestrze stanu procesora (rejestrze znaczników).

Warunek spełniony - liczba umieszczona w polu adresowym jest dodawana do rejestru EIP

Warunek niespełniony - wskaźnik instrukcji EIP jest zwiększany o liczbę bajtów zajmowanych przez rozkaz skoku.

7. Poniżej podano reprezentacje binarna dwóch 32-bitowych liczb binarnych zmiennoprzecinkowych (format float) x i y. Która z tych liczb jest większa? Wskazówka: w formacie 32-bitowym wykładnik jest przesunięty o 127.

4. Omówić schemat współdziałania różnych rodzajów pamięci w komputerze znany jako hierarchia pamięci.

Na szczycie diagramu (poziom L0) umieszczone są rejestry procesora, które zawierają dane najłatwiej dostępne do przetwarzania; kolejne niższe poziomy zawierają informacje coraz trudniej dostępne (z punktu widzenia czasu oczekiwania) dla procesora, ale jednocześnie charakteryzujące się coraz większym rozmiarem i niższym kosztem przechowywania informacji. Rejestry procesora przechowują informację uzyskane z pamięci L1. Pamięć L1 przechowuje informacje uzyskane z pamięci L2. Pamięć L2 przechowuje informacje uzyskane z pamięci głównej . Pamięć główna przechowuje informacje uzyskane z pamięci masowej. Pamięć masowa przechowuje informacje uzyskane z dysków w serwerach sieciowych.

---