Architektura von Neumanna

• Posiada skończoną i funkcjonalną listę rozkazów

• Posiada ALU, urządzenia wejścia / wyjścia, pamięć (dane i program razem)

• Posiada możliwość wprowadzenia programu z zewnątrz i przechowywania go wraz z danymi w pamięciu

• Procesor ma jednakowy dostęp do instrukcji i danych

• Instrukcje są wykonywane sekwencyjnie

• Pierwsza architektura ogólnego przeznaczenia

• Stworzona wspólnie z Eckertem i Mauchlym (1945)

Architektura Harvardzka

• W odróżnieniu od AVN, dane i program znajdują się w osobnych pamięciach

• Dzięki temu jest szybsza

Architektura

• Atrybuty systemu widzialne dla programisty, mające wpływ na logiczne wykonywanie programu

• Przykładowe atrybuty architektury: lista rozkazów, ilość bitów na dany typ, metody adresowania, mechanizmy wejścia-wyjścia

• Architektura określa np. czy w komputerze występuje rozkaz mnożenia

Organizacja

• Odnosi się do jednostek operacyjnych i połączeń, stanowiących realizację danej architektury

• Rozwiązania sprzętowe niewidoczne dla programisty

• Przykładowe atrybuty: sygnały sterujące, interfejs komputer - urządzenia peryferyjne, technologia pamięci

• Organizacja określa np, co realizuje operacje mnożenia

Taksonomia Flynna

• Klasyfikacja systemów równoległego przetwarzania danych:

SISD	Single instruction, single data. Pojedynczy procesor obsługuje pojedynczy strumień rozkazów operując na danych zapisanych w pojedynczej pamięci - komputery jednoprocesorowe
SIMD	Single instruction, multiply data. Pojedynczy rozkaz maszynowy steruje działaniem większej grupy elementów przetwarzających. Każdy element posiada własną pamięć. Każdy rozkaz jest wykonywany na różnych zbiorach danych przez różne procesory. Procesory wektorowe i tablicowe. GPU.
MISD	Multiply instruction, single data. Wiele rozkazów jest wykonywanych przez wiele procesorów na tym samym zbiorze danych. Nie zaimplementowano komerycjnie.
MIMD	Multiply instruction, multiply data. Wiele procesorów równocześnie wykonuje różne rozkazy, na różnych danych. Implementacja w SMP, klastrach i NUMA.

SMP (Symmetric Multiprocessor)

• Sprzętowa architektura komputera

• Dwa lub więcej procesorów o podobnych możliwościach

• Wspólna pamięć główna i urządzenia we-wy

• Czas dostępu do pamięci taki sam (!) dla każdego procesora

• Wszystkie procesory mogą realizować te same funkcje (stąd symmetric)

• Sterowanie przez zintegrowany system operacyjny

• Możliwość stopniowej rozbudowy

• Uszkodzenie jednego procesora powoduje tylko obniżenie wydajności

• Obsługa współdzielenia zasobów poprzez magistralę

NUMA

• Rodzaj architektury

• Charakteryzuje się niejednorodnym dostępem do pamięci (czas dostępu dla różnych procesorów jest różny)

• Ma to służyć polepszeniu efektywności i nie przeciążaniu magistrali (według twórców dla aplikacji reprezentatywnych, które posiadają większość danych lokalnie w cache działa wydajniej niż SMP)

• Wady: słaba przenoszalność pomiędzy SMP a (CC)-NUMA, dostępność

MESI

• Główne rozwiązanie problemu spójności pamięci podręcznych (jeden procesor aktualizuje cache, inne procesory wówczas mają nieaktualne dane - stąd problem)

• Każdy cache znakowany przez 2 bity stanu:
  
  zmodyfikowany - wiersz w cache został zmodyfikowany i jest osiągalny tylko tam,
  
  wyłączny - wiersz w cache jest identyczny jak ten w głównej pamięci i nie występuje w innych cache,
  
  wspólny - wiersz w cache taki sam jak w pamięci i głównej i może występować w innych pamięciach,
  
  nieważny - wiersz w cache nie zawiera danych ważnych
  

• możliwości operacji na danych: chybienie / trafienie odczytu / zapisu

Failover i Failback

• FO (przejmowania danych) - w odniesieniu do klastrów: funkcja przełączania aplikacji i zasobów danych z systemu uszkodzonego do inne go systemu w klastrze

• FB (przywracanie) - w odniesieniu do klastrów: funkcja przywracania aplikacji i zasobów danych do systemu początkowego, gdy zostanie on naprawiony

Klaster

• Alternatywna dla SMP i NUMA

• Bardziej wydajny i dostępny - stosowany w serwerach

• Grupa połączonych kompletnych (mogących funkcjonować w oderwaniu od klastra) komputerów (nazywanych węzłami), tworzących zasób obliczeniowy imitujący jedną maszynę

• Możliwe jest tworzenie bardzo dużych klastrów przewyższających możliwościami największe samodzielne jednostki

• Istnieje możliwość nieinwazyjnego stopniowego powiększania klastra

• Każdy węzeł klastra jest kompletny - jego odłączenie nie powoduje uszkodzenia systemu

• Bardzo dobry stosunek cena / wydajność

• Rodzaje:
  
  rezerwa bierna - pseudoklaster, istnieje dodatkowy serwer, który włącza się dopiero gdy serwer główny pada (przestaje wysyłać sygnał „bicia serca”)
  dodatkowy czynny serwer - bardziej złożony, dodatkowy serwer nie „śpi” i również przetwarza dane
  odrębne serwery - serwery pracują na oddzielnych dyskach, większa dostępność, większe obciążenie łącza (ciągłe kopiowanie danych)
  serwery połączone z dyskami - praca na wspólnym dysku + własne dyski, mniejsze obciążenie łącza, wymaga tworzenia kopii RAID
  serwery współużytkujące dyski - wiele serwerów ma jednocześnie dostęp do dysków, wymaga mechanizmów blokowania, niskie obciążenie łącza
  

• Duży plus klastrów to zasadnicza jednolitość: sterowania, interfejsów, przestrzeni pamięci, hierarchii plików ...itd.

CISC

• Architektura mikroprocesorów o pełnej liście rozkazów

• Dużo ilość, skomplikowanych (zajmujących kilka cyklów procesora) rozkazów

• Duża liczba trybów adresowania (5 do 20), powolny dekoder adresów

• Projektowane głównie po to, by zapewnić odpowiednią współpracę z językami wysokiego poziomu, dążono do uproszczenia kompilatorów i lepszej wydajności

• Stosowane dawniej również ze względów ekonomicznych - teoretycznie programy na architekturę CISC zajmowały mniej miejsca w pamięci, co było bardzo cenne

• Wolniejsze od architektur typu RISC, bo jest duża liczba odwołań do danych w pamięci

• Mniejsza liczba rejestrów

• Różna długość rozkazów

• Łatwiejsze programowanie, krótsze programy

• Droższe w budowie i eksploatacji

• Na każdy rozkaz składa się mikroprogram złożony z mikrooperacji/mikrorozkazów (a każdy mikrorozkaz zawiera sekwencję bitów, która reprezentuje mikrooperację sterującą przemieszczaniem informacji między różnymi podzespołami i rejestrami procesora);

RISC

• Duża liczba rejestrów - operacje typu z rejestru do rejestru, implikują dużo szybsze działanie niż pobieranie danych z pamięci podręcznej

• W dużych rejestrach zmienne lokalne, także globalne - szybsze wykonywanie rozkazów

• Krótkie, proste rozkazy - łatwe do implementacji w procesorze, a jednocześnie będące podstawowym budulcem programów (wykorzystywane w ponad 90% przypadków)

• Jeden rozkaz na jeden cykl - przyspieszenie działania

• Proste tryby adresowania i ich niewielka liczba

• Architektura load-store

• Intensywne wykorzystanie przetwarzania potokowego

• Proste formaty rozkazów

• Rozkazy mają jednakową długość, brak adresowania pośredniego, brak operacji łączących ładowanie / zapis z arytmetyką

• Przykłady realizacji:
  
  MIPS - dodatkowe ALU,która mogłaby współpracować z istniejącymi. Potok wykorzystywany do aktywowania więcej niż jednej operacji. Ciężar zapewnienia poprawności wykonania spoczywa na kompilatorze; usprawnienie obliczeń
  
  SPARC -otwarta architektura RISC, zysk z wyrzucenia sprzętu ze środka procesora a dołączenia wielu rejestrów generalnego przeznaczenia. przełączanie kontekstów, okno z rejestrami, dużo rejestrów
  
  ARM - brak zagospodarowania wolnego miejsca (po redukcji rozkazów) - mniejsza jednostka (zmniejszenie struktury) - mniejsze zużycie energii, mniej wydalanego ciepła - możliwe wyższe obroty -czyli praca z wysokimi częstotliwościami
  
  POWERPC - podobne do MIPS, dodatkowe bloki funkcjonalne (dla floatów np.); rozdzielamy pewne typy operacji i wykonujemy je na oddzielnych jednostkach, aby zrównoleglić obliczenia.
  

• Porównywanie RISC i CISC jest o tyle niezasadne, iż obie technologie od jakiegoś czasu przenikają się, wpływają na siebie i uzupełniają się

ENIAC

• Electronic Numerical Integrator And Computer

• Autorzy: John Mauchly, John Eckert

• Pierwszy elektroniczny komputer o przeznaczeniu ogólnym

• Projektowany dla wojskowych obliczeń balistycznych

• 30 ton, 1400 m2, 18000 lamp próżniowych, 140kW - zużycie mocy, 5000 obliczeń na sekundę

• Maszyna dziesiętna (liczba reprezentowana przez pierścień lamp), 20 akumulatorów, ukończony w 1946 roku, rozebrany w 1955 r.

• Trudny do reprogramowania, ale uniwersalny

• Nie posiadał pamięci operacyjnej

Urządzenie Sterujące

• Jeden z elementu funkcjonalnego obrazu komputera

• Zarządza zasobami komputera i koordynuje działanie jego składników funkcjonalnych w zależności od wprowadzonych poleceń

• Jednostka sterująca CPU - steruje działaniem komputera, składa się z: układów logicznego sterowania, rejestrów i dekoderów jednostki sterującej i pamięci sterującej

Schemat Funkcjonalny Komputera

• Komputer realizuje 4 podstawowe funkcje: przetwarzanie danych, przechowywanie danych, przenoszenie danych, sterowanie

• Jeżeli komputer otrzymuje dane od urządzenia bezpośrednio podłączonego do niego - to jest to proces we-wy, a urządzenie nazywa się peryferyjnym

• Jeżeli przenoszenie danych odbywa się na duże odległości, to proces ten nazywamy transmisją danych

• W komputerze wyróżnia się 4 podstawowe elementy: CPU, pamięć główna, wejście-wyjście i magistrala systemowa

RAID

• Schemat projektowania baz danych dla pamięci wielodyskowych

• Ma zwiększać wydajność (w pewnym sensie także pojemność całościową) pamięci dyskowych, a także polepszać bezpieczeństwo danych

• Jest to zespół fizycznie istniejących napędów dyskowych, widzianych przez OS jako jeden napęd logiczny

• Dane są rozproszone, tworzą tablice

• Implementuje przechowywanie danych o parzystości, co gwarantuje odzyskiwanie danych w wypadku awarii któregoś z napędów

• Istnieje siedem poziomów RAID:
  
  RAID 0 - nie przewiduje redundancji, stosowany w celu poprawienia wydajności i pojemności, dane rozproszone na wszystkich dyskach w postaci pasków, zwiększa szybkość transferu we-wy
  
  RAID 1 - redundancja osiąga przez powielanie wszystkich danych, takie same dane są równolegle na dwóch dyskach - szybszy odczyt, w razie awarii każde dane posiadają kopię na drugim dysku, wady: wolniejszy zapis i koszt
  
  RAID 2 - dostęp do danych - równoległy, stosowany jest kod Hamminga, mniej kosztowny niż RAID 1, ale nadal kosztowny, stosowany dla tablic o dużej zawodności
  
  RAID 3 - analogiczny do RAID 2, wymaga tylko jednego dysku redundancyjnego, dostęp równoległy, wykorzystuje obliczanie bitów parzystości (redundancja implementowana za pomocą funkcji XOR)
  
  RAID 4 - dostęp do danych - niezależny, każdy dysk działa niezależnie, mogą być obsługiwane równolegle, dobry w sytuacji, gdy potrzeba szybkich odpowiedzi na żądania we-wy a niekoniecznie dużego transferu, gorsza wydajność zapisu, paski parzystości znajdują się na jednym dysku (wąskie gardło)
  
  RAID 5 - podobny do RAID 4, jednak paski parzystości są rozproszone na wszystkich dyskach
  
  RAID 6 - znaczne polepszenie dostępności, parzystość obliczana jest podwójne, jednak dzieje się to kosztem wydajności i szybkości zapisu

INTEL 8086

• Mikroprocesor ogólnego przeznaczenia

• Dużo bardziej zaawansowany, niż 8080

• 16-bitowy mikroprocesor

• Szersza ścieżka danych, większe rejestry, podręczna pamięć rozkazów

• Mechanizmy pracy wieloprocesorowej

• Segmentacja pamięci

• Rozszerzone możliwości adresowania operandów

• Adresowanie natychmiastowe, rejestrowe, bezpośrednie, pośrednie, indeksowe i bazowe

• Wprowadzenie układu kolejki (pamiętanie 6 bajtów z pamięci w czasie zajętości procesora)

• 2 części: jednostka wykonawcza, zespół łącza z magistralą systemową

• Rozkazy: arytmetyczno-logiczne, przesłań, skoków, obsługi pętli, wywołań i powrotów z podprogramu, dotyczące rejestrów segmentowych ,wykonujące operacje na ciągach słów, wejścia/wyjścia i inne

PIC (16F84A)

• Jednoukładowy komputer stosowany w systemach wbudowanych

• Architektura RISC

• Należy podłączyć do niego zegar i zasilanie

• Zawiera 68 8-bitowych rejestrów, stos (8 wierszy 13-bitowych, ma do niego dostęp licznik programu),

• Peryferyjne: pamięć EEPROM, TIMER, I/O Ports

• Ostatni wpis ze stosu jest wpisywany do Program Counter

• Zbudowany wg paradygmatu von Neumanna, jednak w architekturze Harvardzkiej - gwarantuje to większą szybkość - równoległe pobieranie danych i instrukcji

• Stała długość instrukcji - 14 bitów

• 
  Rejestry:
  

• Adresowanie:

• 
  
  Cykle
  
  
  

Dla stałych i rejestrów

14.Rejestry ogólnego przeznaczenia MP 80386 i ich wykorzystanie.

Rejestry można podzielić na trzy funkcjonalne grupy : ogólnego przeznaczenia, sowe, statusowe i sterujące.

Rejestry ogólnego przeznaczenia:

AX - odpowiednik akumulatora, pamięć tego rejestru jest wykorzystywana przez arytmometr, AX jest rejestrem używanym w operacjach logicznych, arytmetycznych i do odkładania wyników wielu operacji.

BX - rejestr bazowy, służący do adresowania.

CX - rejestr zliczający ( jest licznik w pętlach ).

DX - rejestr danych, umożliwia przekazywanie i odbieranie danych z portów.

SI - rejestr źródła ciągów łańcuchów danych.

DI - rejestr przeznaczenia ciągów łańcuchów danych.

SP - wskaźnik stosu.

BP - wskaźnik bazy.

15Rejestry sowe MP 80386 i ich przeznaczenie

Procesor 386 ma zespół ośmiu rejestrów 32 - bitowych ogolnego przeznaczenia EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, które mogą przechowywać dane albo adresy. Mymy równierz sześć rejestrów sowych CS, SS, DS., ES, FS i GS. Stosuje się je w połączeniu z adresami zapisanymi w rejestrach ogólnego przeznaczenia lub w rejestrze lub w rejestrze wskaźnika rozkazów (EIP) do uzyskania fizycznego adresu na szynie adresowej. Rejestr CS (s kodu ) z rejestrem wskaźnika rozkazów określa fizyczny adres do pobrania rozkazu, a rejestr SS (s stosu) jest używany do określenia adresu stosu. Inne rejestry sowe stosuje się zwykle do adresacji danych. Każdy z rejestrów sowych jest związany z rejestrem deskryptorów sów, niewidocznych dla programisty. Przy czym :

EAX - Akumulator

EBX - Rejestr bazowy

ECX - Rejestr licznika

EDX - Rejestr danych

ESI - Indeks źródłowy

EDI - Indeks przeznaczenia

ESP - Wskaźnik stosu

EBP - Wskaźnik bazowy

EIP - Wskaźnik rozkazu

EFL - Znacznik stanu

CS - S kodu

SS - S stosu

DS - S danych

ES - S danych

FS - S danych

GS - S danych

• Watchdog - układ chroniący mikroprocesor przed zbyt długim przebywaniem w stanie zawieszenia, implementowany jako dekrementujący się licznik, odnawiany co jakiś czas przez mikroprocesor, jeśli mikroprocesor nie odnowi wartości licznika i ten odliczy do zera, następuje zresetowanie układu

BANKI PAMIĘCI

• Jeden ze sposobów na zwiększenie obszaru adresowania

• Przykład: magistrala 8-bitowa pozwala zaadresować 64 * wielkość słowa

• Gdy przy stałej magistrali rosły wielkości pamięci pojawił się problem, jak zaadresować „nadmiarową” ilość pamięci

• W PICu (także Atari, komputery Apple) użyto tzw. banków pamięci

• Każdy bank na swój identyfikator (0,1...), każdy bank obejmuje odpowiednią część pamięci, naraz można się odwołać bezpośrednio tylko do jednego banku

• By zmienić bank, należy zmienić bit RP0 w rejestrze statusu. Ten bit przechowuje najstarszy bit szyny adresowej.

• Można się przełączać między bankami, lecz wymaga to instrukcji, które by zmieniały odpowiednio wartość rejestru

• W prostych układach 8-bitowych, za przełączanie banków odpowiada MMU (Memory Management Unit)

• Sposób dość powolny - duża strata czasu - przełączanie między bankami

• Adres fizyczny jest sklejany: 1 bit z RP0 i 7 bitowy offset pobierany z instrukcji

SEGMENTACJA PAMIĘCI

• Pamięć jest logicznie podzielona na pewne obszary

• Każdy z obszarów jest reprezentowany w danym rejestrze segmentowym (Intel 8086 - CS,DS,SS,ES)

• Adresowanie polega na sumowaniu wartości offsetu i zawartości danego rejestru-wymagana jest więc dodatkowa operacja dodawania

• Takie „dwuetapowe” (najpierw segment, potem offset) adresowanie zwiększa ilość danych, które można zaadresować

• Ponadto segmentacja umożliwiała logiczne oddzielenie różnych elementów w pamięci (programu, danych, stosu)

• W rejestrach znajdowały się także odpowiednie bity odpowiadające za poziom dostępu do danego segmentu, co umożliwiało ochronę danych

• Implementacje segmentacji wymuszały jednak dość ograniczone dzielenie pamięci, dzielenie jej w sposób dość nienaturalny i kłopotliwy, przez co obecnie segmentacja nie jest stosowana

• Przenaszalnośc kodu w rózne miejsca pamięci

• Każdy program mógł się zaczynać w dowolnym miejscu.

• Początek segmentu umieszczany w adresach podzielnych przez 16

Tryby Adresowania

• natychmiastowy (PIC, 8086)
  Argument pobierany jest bezpośrednio z rozkazu. W tym trybie wskazywany jest wyłącznie operand źródłowy. Np. MOV AX, 20 - w rejestrze AX zostanie zapisana liczba 20. używany tylko w odniesieniu do stałych: MOV LW

• bezpośredni (PIC, 8086)
  Adres operandu znajduje się bezpośrednio w kodzie instrukcji. Np. MOV AX, [40] - w rejestrze AX zostanie zapisana zawartość komórki pamięci (segment danych) o adresie 40.

• pośredni (PIC, 8086)
  W trybie adresowania pośredniego odwołujemy się do jednego z rejestrów roboczych procesora (np. BX) lub do komórki pamięci (np.19). W rejestrze (BX) zapisany jest numer komórki pamięci, do której trzeba sięgnąć aby odczytać tam zawarty adres i przenieść do drugiego rejestru (AX). Np. MOV AX, [CX] - w rejestrze AX zostanie zapisana zawartość komórki pamięci o adresie, który znajduje się w rejestrze CX.
  ja bym ujęła to tak: instrukcja zawiera adres komórki pamięci, która zawiera adres efektywny.

• implikowany (PIC)
  Adresowanie implikowane dotyczy instrukcji jednobajtowych, dla których zarówno operand jak i miejsce przeznaczenia są określone przez dany rozkaz. Ten tryb adresowania jest używany wyłącznie w odniesieniu do wewnętrznych rejestrów mikrokontrolera, szczególnie w odniesieniu do akumulatora. Ze względu na krótki format instrukcji tryb ten jest bardzo efektywny, a ograniczeniem jest tylko liczba dostępnych rejestrów. Np. CLRW,

• względny (PIC)
  Adresowanie względne służy natomiast do adresowania pamięci względem adresu aktualnie wykonywanej instrukcji w pamięci programu. Adres ten jest przechowywany w specjalnie do tego przeznaczonym rejestrze zwanym wskaźnikiem instrukcji (IP). Tryb ten jest wykorzystywany przez rozkazy skoku.

• indeksowy (PIC, 8086)
  Adresowanie to polega na obliczaniu adresu przez sumowanie zawartości specjalnie przeznaczonego do indeksowania rejestru, zwanego rejestrem indeksowym z adresem bezpośrednim, zapisanym w instrukcji. Obliczony w ten sposób adres jest adresem efektywnym. Tryb ten jest korzystny, gdy operujemy na blokach danych.

• bazowo-indeksowy ( 8086)
  Zawartość rejestru bazowego (BX, BP) jest dodawana do zawartości rejestru indeksowego (SI, DI), tworząc adres do pamięci, pod którym znajduje się wartość danej. NOT [BX+DI]

• bazowo-indeksowe z przemieszczeniem
  Stała jest dodawana do rejestru bazowego (BX, BP) oraz rejestru indeksowego (SI, DI), tworząc adres do pamięci, pod którym znajduje się wartość danej np. NOT [BX+DI+8]

• rejestrowy (i rejestrowy pośredni) (8086)
  W adresowaniu rejestrowym operandy znajdują się w rejestrach wewnętrznych mikroprocesora. Jeżeli operand znajduje się w pamięci, to zespół wykonawczy EY oblicza jego 16-bitowy adres (przesunięcie) wewnątrz segmentu. Zespół BIU oblicza adres rzeczywisty na podstawie otrzymanego przesunięcia (adresu efektywnego EA) i zawartości wybranego rejestru segmentowego. Np. MOV AX, BX - w rejestrze AX zostanie zapisana zawartość rejestru BX.

• bazowy (8086)
  Adresowanie bazowe jest to rodzaj adresowania pośredniego, gdzie rozkaz wskazuje na jeden z rejestrów bazowych BX lub BP i może zawierać 8-; lub 16-bitową wartość stanowiącą lokalne przemieszczenie. Adresem efektywnym jest suma zawartości rejestru bazowego i przemieszczenia. Np. MOV AX, [BP].

DMA

• jest to bezpośredni dostęp do pamięci

• dodatkowy moduł na magistrali systemowej

• udaje procesor i w rzeczywistości przejmuje od procesora sterowanie systemem

• moduł DMA działa na zasadzie wykradania cyklu procesora

Przetwarzanie potokowe

Na jednym końcu przyjmowane nowe elementy wejściowe, zanim jeszcze elementy poprzednio przyjęte ukażą się na wyjściu. W celu realizacji tej koncepcji stosujemy takie techniki jak:

• zwielokrotnienie strumienia

• pobieranie rozkazu z wyprzedzeniem

• bufor pętli

• przewidywanie rozgałęzienia

• opóźnienie rozgałęzienia

System 360

• był pierwszą zaplanowaną rodziną komputerów

• modele różniły się wydajnością i ceną

• wszystkie modele były kompatybilne programowo

• z pewnymi rozszerzeniami i modyfikacjami architektura serii 360 pozostaje do dziś architekturą dużych komputerów

• 304 instrukcje o zmiennej długości i czasie wykonania

• 3 różne możliwe długości rozkazu

• -16 trybów adresowania

Kod horyzontalny / wertykalny

• V: - rozbudowany dekoder i minimalne słowo instrukcji!

• H: - ograniczony dekoder, maksymalne słowo instrukcji

WDM

• Typ sterowników typu PnP stosowany od Windowsa 98

• następna VxD, obejmuje wsparciem Windowsy 98- Vista

• Wyróżnia się 4 rodzaje (driver funkcyjny - główny driver, najczęściej napisany przez producenta i niezbędny do działania urządzenia) :
  
  class driver - sterownik funkcyjny, mogący operować na dużej liczbie urządzeń tego samego typu (nie ma potrzeby pisania oddzielnych driverów dla każdej wersji urządzenia), w ujęciu programistycznym class driver może służyć jako baza dla bardziej specjalizowanych sterowników np. typu miniport (udostępnia interfejs)
  
  miniport driver - sterownik funkcyjny do obsługi USB, SCSI, Audio i urządzeń sieciowych
  
  bus driver - sterownik do obsługi magistral, może służyć jako kontroler, adapter czy mostek, może obsługiwać więcej niż jedną magistralę danego typu, używany jest do obsługi choćby USB, PCI, SCSI, FireWire...
  
  filter driver - mogą dodawać i modyfikować funkcje obecnych już sterowników, nie muszą być związane z urządzeniem,
  

• Wady: wygórowane wymagania dla nauki WDM, brak odpowiedniej współpracy z systemem zasilania, brak wsparcia dla sterowników pisanych czysto w user-mode

Scoreboarding

• Algorytm stosowany w procesorach superskalarnych

• Umożliwia synchronizację potoku i zabezpiecza przed hazardem RAW (wartość nim zostanie zapisana przez poprzednią instrukcję, jest już odczytana przez następną)

• Polega na identyfikowaniu rejestrów procesora jako: ważnych i nieważnych

• Odczyt możliwy jest tylko z ważnego rejestru

• Rejestr oznaczany jest jako nieważny, gdy instrukcja mająca zapisać coś do tego rejestru opuszcza fazę odczytu

• Wówczas inne instrukcje nie mają prawa korzystania z danego rejestru

• Gdy instrukcja opuszcza fazę zapisu, rejestr oznaczany jest jako ważny i dane z rejestru są „odblokowywane” dla innych instrukcji

Algorytm Zastępowania Stron

• Stosowany w stronicowaniu, jako element obsługi braku strony

• W momencie, gdy brakuje wolnych ramek w pamięci należy zwolnić jedną z ramek poprzez zapisanie znajdującej się w niej strony na dysk

• Taki zapis można dokonać tylko wówczas gdy odpowiedni bit (modyfikacji) w ramce jest ustawiony na 1

• Szukaniem strony, która ma być usunięta z pamięci i zapisana na dysk zajmują się różne algorytmy:
  FIFO - usuwamy stronę najdłużej znajdującą się w pamięci, prosty, łatwy w implementacji, zagrożenie to błędy - np. anomalia Beladiego
  Algorytm Optymalny - usuwamy stronę najdłużej nieużywaną, idealny - teoretyczny - niemożliwy do implementacji
  LRU - usuwamy stronę, która nie była używana najdłużej - lepszy wynik od FIFO, dosyć trudny do implementacji
  Drugiej Szansy - analogiczny do FIFO, ale korzysta z bity odwołania (na początku zero, jeśli do strony się odwołaliśmy ustawiany na 1) - jeżeli bit odwołania jest równy 1, wówczas strona dostaje „drugą szansę” - bit ustawia się na 0 a strona ląduje na koniec kolejki
  Zliczające (LFU i MFU) - zliczają liczby odwołań i usuwana jest albo strona o najmniejszej albo największej liczbie odwołań, trudne do implementacji, niezbyt skuteczne

Barrel Shifter

• Ukł cyfrowy, zbudowany z MUX

• Potrafi w jednym cyklu przesunąć słowo o daną liczbę bitów

• Używany w ALU (jako stały komponent), chociażby przy okazji wyrównywania mantys w obliczeniach zmiennoprzecinkowych

Informacja

• Miara niepewności pewnego zdarzenia

Rejestry

• Rejestr wskaźników - zwany rejestrem stanu, przechowuje pewne specyficzne dane wynikające z obliczeń ALU takie jak: wynik równy zero, przeniesienie, przepełnienie, pożyczka, znak wyniku, parzystość. Można wykorzystywać ten rejestr do testowania pewnych warunków i tym samym implementować rozgałęzienia

• Rejestr przejściowy - rejestr pomocniczy ALU, podobny do akumulatora, jednak dane z tego rejestru nie mogą być wyprowadzane na szynę danych

• Rejestr rozkazów - wchodzi w skład jednostki sterującej, w nim przechowywany jest aktualnie wykonywany rozkaz

Rejestry 8086

• Rejestry:

AX - Accumulator Register

BX - Base Address Register

CX - Count Register

DX - Data Register

• BP - Base Pointer

SP - Stack Pointer

SI - Source Index Register

DI - Destination Index Register

IP - Instruction Pointer

• Flagi:
  

OF - Overflow Flag

DF - Direction Flag

IF - Interrupt Enable Flag

TF - Trap Flag

SF - Sign Flag

ZF - Zero Flag

AF - Auxiliary Flag

PF - Parity Flag

CF - Carry Flag

Prawo Groscha

• Zakup komputera większego i dwa razy droższego gwarantuje 4-krotne zwiększenie mocy obliczeniowej - obalone przez wprowadzenie układów scalonych

Mikroprogram

• Opisuje cykl zegara za pomocą cyklu instrukcji

• Każda instrukcja to wskaźnik na fragment mikrokodu, ładowanego i wykonywanego przez układ sterujący

• Obecnie niezbyt powszechny

Mikroprocesor a mikrokontroler

• Mikroprocesor: nastawiony na obliczenia, ograniczony kontakt z otoczeniem (wymaga od otoczenia więcej w ramach komunikacji )

• Mikrokontroler: większy nacisk na kontakt z otoczeniem (porty komunikacyjne pozwalające wyprowadzać dane bezpośrednio na zewnątrz), słabsza moc obliczeniowa

• Obecnie różnice się zacierają - producent określa czym jest produkt

Mechanizmy przerwań

• sprzętowe: sytuacja wyjątkowa - krytyczna, maskowalna - można zwrócić uwagę

• oprogramowania: programowe, breakpoints

Prawo Amdahla

• Odnosi się do zwiększania wydajności

• Nawet jeśli radykalnie przyspieszymy działanie dominującego elementu, to nie nastąpi radykalny wzrost wydajności całego systemu, gdyż wówczas elementem decydującym o wydajności stanie się element wcześniej niedominujący

• Przyspieszenie: 1 / ( (1-t) + t / n ) ) , gdzie n - nkrotne przyspieszenie elementu, a t - udział elementu w systemie (np. 0.7 dla 70 %)

Kernel

• Jądro systemu

• Podstawowa część systemu operacyjnego, odpowiedzialna za wszystkie jego zadania

• Wyróżniamy kilka podstawowych metod konstrukcji jąder:
  
  jądro monolityczne - często stosowane w systemach typu Unix. Wszystkie zadania są wykonywane przez jądro, będące jednym, dużym programem działającym w trybie jądra.
  
  mikrojądro - w tej technice z monolitycznego jądra zostaje tylko jego podstawowa część, reszta realizowana jako osobne procesy.
  
  nanokernel - nanokernel jest jeszcze mniejszy od mikrojądra
  
  exokernel - odmiana nanojądra. Cechą wyróżniającą jest możliwość zarządzania zasobami systemu przez nieuprzywilejowanego użytkownika, a rola jądra sprowadza się do zabezpieczania zasobów.
  
  cachekernel - w tej technice jądro systemu buforuje obiekty systemowe takie jak wątki czy przestrzenie adresowe tak jak sprzęt komputerowy buforuje pamięć
  
  jądro hybrydowe - kompromis między architekturą jądra monolitycznego i mikrojądra. W krytycznych usługach - np. stos sieci - usługi są na stałe wkompilowane w główny kod jądra, inne usługi pozostają oddzielone od głównego jądra i działają jako serwery (w przestrzeni jądra).

• Monolityczne: Linuch, Hybrydowe: Windows

Rodzaje Sterowników

• Linuch:
  
  Character Devide Drivers - sterowniki urządzeń sekwencyjnych.
  
  Block Device Drivers - sterowniki urządzeń blokowych.
  
  Network Device Drivers - chyba nie muszę pisać.
  

• Windows:
  
  Dos - sterownik to plik wykonywalny pracujący w trybie rzeczywistym
  
  MS Windows (nakładka na Dos) - sterowniki to wykonywalne pliki .drv
  
  Windows 3.x - pojawienie się koncepcji maszyny wirtualnej, pliki VxD ( Virtual Device Driver )
  
  XP - WDM ( Windows Driver Model ).

Rodzaje Pamięci

• Rejestry

• RAM ( Random Access Memory )

• SRAM ( Statyczna )

• DRAM ( Dynamiczna )

• SDRAM ( Synchronous Dynamic RAM , jedna dana na cykl zegara )

• DDR ( Transmisja na obu zboczach sygnału )

• RDRAM ( Rambus )

• ROM (Read Only Memory )

• PROM ( 1 krotnie programowalna , nie używana )

• EPROM ( kasowanie za pomocą UV )

• EEPROM ( wielokrotnie programowalna,kasowanie i zapis na drodze elektronicznej)

• FLASH ( operacja na wielu komórkach w tym samym czasie ) ( NOR - RAM , NAND - w zastępstwie dysków )

• Pamięć magnetyczna

• DRAM jest tańszy oraz wolniejszy od SRAM.

• SRAM nie wymaga ona odświeżania.

• SRAM używa przerzutników (zestaw tranzystorów)

• DRAM używa kondensatorów - ładunek trzeba odnawiać

• SRAM jest bardzo drogi - jedna komórka pamięci składa się z czterech tranzystorów i dwóch oporników, dla porównania do utrzymania jednego bajta w DRAMie potrzeba jedynie tranzystora i kondensatora.

BIOS

• BIOS to zapisany w pamięci stałej, inny dla każdego typu płyty głównej komputera, zestaw podstawowych procedur pośredniczących pomiędzy systemem operacyjnym a sprzętem.

• W wypadku płyty głównej BIOS testuje sprzęt po włączeniu komputera, przeprowadza tzw. POST ("Power On Self Test"), zajmuje się wstępną obsługą urządzeń wejścia/wyjścia, kontroluje transfer danych pomiędzy komponentami takimi jak dysk twardy, procesor czy napęd CD-ROM. Inicjuje program rozruchowy.

TRYBY PRACY PROCESORA 386

• określają m.in. sposób zarządzania pamięcią i uprawnienia uzytkownika

• Wyróżniamy tryby:
  
  Tryb Rzeczywisty - W trybie tym brak ochrony pamięci przed użyciem przez inny proces i brak obsługi wielozadaniowości. W trybie rzeczywistym pracowały programy w systemie operacyjnym DOS. Dwa adresy logiczne mogą wskazywać na ten sam adres fizyczny. Adresowanie pamięci w zakresie 1 MB.
  
  Tryb Chroniony - Umożliwia adresowanie pamięci w większym zakresie niż 1MB (tryb rzeczywisty), wprowadza wiele nowych udogodnień wspierających wielozadaniowość(!), takich jak: sprzętowa ochrona pamięci (układ MMU), wsparcie przełączania kontekstu procesora i wiele innych. Wszystko pod kontrolą OS, aby aplikacja nie mogła „namieszać” w systemie.
  
  Tryb Wirtualny - Tryb pracy procesorów, dostępny w trybie chronionym, który umożliwia uruchamianie programów przeznaczonych dla trybu rzeczywistego. W odróżnieniu od "prawdziwego" trybu rzeczywistego, dostęp do portów procesora jest sankcjonowany przez system operacyjny pracujący w trybie chronionym.
  

Tryb Wirtualny jest wykorzystywany do uruchamiania programów DOS-owych. System Windows posiada wbudowane mechanizmy umożliwiające uruchomienie takich programów (w Windows NT jest to NTVDM), natomiast dla systemu Linux istnieją programy dosbox oraz dosemu.

Tryb SMM- tryb zarządzania sprzętem przez sys operacyjny, niedostępny z poziomu uzytkownika

Komendy Assemblera

• Arytmetyczne:

ADD - dodawanie

SUB - odejmowanie

MUL - mnożenie

DIV - dzielenie

INC/DEC - inkrementacja/dekrementacja

• Logiczne:

AND , OR , EXOR , NOT

• Przesłań:

MOV - przenieś

STR - zachowaj ( store )

LD - load ( załaduj )

IN - input

OUT - :]

SET - ustaw

PUSH/POP

• Sterujące programem:

JMP - skocz

Jc - warunek skoku

CALL - skocz do funkcji

RET - return

SKIP

Endiany !! What is that?!

---