eW01 Klaus ASK struktura i dzialanie - cs.put.poznan.pl filemagistrale ALU Jednostka sterująca procesor 8 Komputer PN-ISO/IEC 2382-1:1996 - 01.03.04 Urządzenie, które jest sterowany

drKlaus 1

Szablon wykładu – należy uzupełnićpodczas spotkania z wykładowcą

STRUKTURA I DZIAŁANIE KOMPUTERA

dr inż. Rafał KlausInstytut InformatykiPolitechnika Poznańska

[email protected]/rklaus

Struktura i działanie komputera W1

2

struktura, funkcje, komputerPN-ISO/IEC 2382-1:1996 - 01.03.03, PN-N-01602:1997 - 2.24

STRUKTURA – to sposób wzajemnego powiązania składników

FUNKCJE – określają działanie poszczególnych składników jako części struktury

KOMPUTER - jednostka funkcjonalna, która może wykonywać obliczenia, włączając w to liczne operacje arytmetyczne i operacje logiczne, bez interwencji człowieka.

Architektura Systemów Komputerowych dr inż. Rafał KLAUS

Programy użytkowe

System operacyjny

Sprzęt

3

Model funkcjonalny komputera

Komputer w ogólności realizuje cztery funkcje:

przetwarzanie danychprzechowywanie danychprzenoszenie danychsterowanie


Urządzenie do przemieszczania

danych

Urządzenie sterujące

Urządzenie do przechowywania

danych

Urządzenie do przetwarzania

danych

Środowisko użytkoweźródło i miejsce przeznaczenia danych

drKlaus 2

4

Operacje realizowane przez komputer


przemieszczanie

sterowanie

pamięć przetwarzanie

przemieszczanie

sterowanie


przemieszczanie

sterowanie


przemieszczanie

sterowanie


5

Struktura komputera


Urządzenia peryferyjne

Linie komunikacyjne

Komputer

•pamięć

•przetwarzanie

wejście-wyjście

Połączenia systemowe

Pamięćgłówna

Jednostka centralna

komputer

Jednostka centralna -procesor

steruje działaniem komputera i realizuje jego funkcje przetwarzania danych

Pamięć głównaPrzechowuje dane

Wejście-wyjściePrzenosi dane między komputerem a jego otoczeniem zewnętrznym

Połączenia systemoweMechanizmy zapewniające łączność między procesorem, pamięcią a wej.-wyj.

6

Cztery główne składniki procesora

Jednostka sterującasteruje działaniem procesora i przez to komputera

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)

realizuje funkcje przetwarzania danych

Rejestryrealizują wewnętrzne przechowywanie danych w procesorze

Połączenia wewnętrzneMechanizm zapewniający łączność między jednostkąsterującą, ALU a pamięcią


wejście-wyjście

Połączenia systemowe

Pamięćgłówna

Jednostka centralna

komputer

rejestry

Połączenia wewnętrzne

Jednostka arytmetyczno

-logiczna

Jednostka sterująca

Jednostka centralna

drKlaus 3

7


Wykonanie rozkazu to szereg kroków zwanych cyklami (pobranie, adresowanie, wykonanie,..)Każdy cykl to sekwencja operacji - mikrooperacji

np. przeniesienie danych między rejestrami, magistralązewnętrzną, ALU

Jednostka sterująca ma dwa zadania:

Wykonanie mikrooperacji przez procesor we właściwej kolejności wynikającej z realizowanego programuGenerowanie sygnałów sterujących, które powodująwykonanie mikrooperacji (otwieranie, zamykanie bram logicznych)


Układy logiczne

szeregowania Rejestry i dekodery jednostki sterującej

Pamięćsterująca


rejestry

magistrale

ALU


procesor

8

Komputer PN-ISO/IEC 2382-1:1996 - 01.03.04

Urządzenie, które jest sterowany przez wewnętrznie zapamiętane programy i który jest zdolny wykorzystaćwspólną pamięć dla całego programu, bądź jego części, a także dla wszystkich lub części danych koniecznych do wykonania programów; wykonuje programy napisane lub zlecone przez użytkownika; wykonuje zlecone przez użytkownika manipulacje na danych dyskretnych reprezentowanych cyfrowo, włączając w to operacje arytmetyczne i operacje logiczne; także wykonuje programy, które się same modyfikują w trakcie przetwarzania.


9

Hardware und Software in einem Computersystem


www.mklaus.prv.pl

drKlaus 4

10

Aufbau eines Computersystems


www.mklaus.prv.pl

11

Podstawowy cykl rozkazu

Procesor realizując program wykonuje pewne powtarzające się czynności, polegające na cyklicznym pobieraniu kodów rozkazu z pamięci i wczytaniu ich do układu sterowania procesora, a następnie realizacji rozkazów, których kod został pobrany. W cyklu rozkazowym wyróżniamy dwie podstawowe fazy: fazę pobrania (fetch) i fazę wykonania (execution).


12

Aufbau eines Mikrocomputersystems


www.mklaus.prv.pl

drKlaus 5

13

Cykl rozkazuOdczytanie z pamięci operacyjnej rozkazu wskazywanego przez licznik rozkazów LR i umieszczenie go w rejestrze rozkazów RRDekodowanie rozkazu – określenie jego typu i liczby ewentualnych dalszych argumentówJeśli to konieczne to wyznaczenie adresów i pobranie potrzebnych argumentówPrzesłanie do rejestru adresowego RA adresów argumentów i zmiana zawartości LR tak, aby wskazywał na następny rozkaz do pobraniaWykonanie wymaganych czynności wskazywanych przez rozkaz i zapamiętanie wyniku, a mianowicie, po zdekodowaniu i zinterpretowaniu rozkazu, układ sterujący generuje ciąg odpowiednich sygnałów. Rozkaz wykonuje ALU w procesorze, wykorzystując do tego celu rejestry robocze. W zależności od wyniku wykonania rozkazu ustawiane są znaczniki (ang. flags), które informują układ sterowania o bieżącym stanie procesoraOdczytanie stanu procesora i przejście do kroku pierwszego


www.jlk.prv.pl

14

CYKLECykl maszynowySekwencja operacji w jednostce centralnej, odpowiadająca jednemu cyklowi pamięci, cyklowi wejścia/wyjścia (we/wy) albo równoważnej operacji wewnętrznej.

Rozkaz do jednego wykonania może wymagać jednego lub więcej cykli maszynowych, a cykl maszynowy zawiera zwykle więcej niż jeden cykl zegarowy.

Wykonanie programu

Cykl rozkazu

Cykl rozkazu ...

pobranieadresowaniewykonanieprzerwanie

µOP

µOP


www.jlk.prv.pl

15Architektura Systemów Komputerowych dr inż. Rafał KLAUS

www.mklaus.prv.pl

drKlaus 6

16

Przykład zależności czasowych związanych z operacją wczytania danych z urządzenia wejściowego.

Cykl rozkazowy

Cykl maszynowy 1 Cykl maszynowy 2 Cykl maszynowy 3

Impulsy taktujące

0T 1T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T

Cykl zegarowy

Etap pobrania oraz Etap pobrania adresu Etap wczytaniadekodowania rozkazu urządzenia wejścia danych


18

Adresowanie zawartością wskaźnika rozkazówRozkaz przesłania D:=C a) sieć działań; b) pobranie rozkazu; c) wykonanie rozkazu


drKlaus 7

19

Adresowanie zawartością wskaźnika danych



Adresowanie zawartością wskaźnika danych (pointer addressing)


Rozkaz z argumentem bezpośrednim = rozkaz z adresem natychmiastowym (immediateaddressing)

drKlaus 8


Adresowanie bezpośrednie (direct addressing)

23

Formaty rozkazów


00 d 110

n

00 001 110

10011000

MVI C,152D

0 B 1 C 2 D 3 E 4 H 5 L

6 M(HL) 7 A

0011 010

aL

aH

0 STA1 LDA

M(a):=A

A:=M(a)

24

Z Z –– zero zero –– Z=1 gdy wynik operacji wynosi zeroZ=1 gdy wynik operacji wynosi zero

SS-- znak znak -- najbardziej znacznajbardziej znacząący bit wynikucy bit wyniku

P P –– parzystoparzystośćść –– gdy wynik zawiera parzystgdy wynik zawiera parzystąą liczbliczbęę jedynekjedynek

CY CY –– przeniesienie przeniesienie –– przeniesienie (poprzeniesienie (pożżyczka) z najbardziej znaczyczka) z najbardziej znacząącego bitucego bitu

ACAC-- przeniesieni pomocnicze przeniesieni pomocnicze –– przeniesieni z 3 przeniesieni z 3 ––go bitugo bitu


A = 1001 0101

+y = 1101 0111

1 0110 1100

CY A

drKlaus 9

25

Skok do podprogramu a) z programu głównego b) z innego podprogramu (zagnieżdżenie)


www.jlk.prv.pl

26

Zapis i odczyt informacji ze stosu


www.jlk.prv.pl


11001101

aL

aH11001001

drKlaus 10


Zespół jednostki centralnej prostego mikroprocesora

www.mklaus.prv.pl

29

Fluβdiagramm der Operationsschritte



drKlaus 11

31

Rozkaz RST


www.jlk.prv.pl

32

Rozkaz MOV M,B


www.jlk.prv.pl


www.jlk.prv.pl

drKlaus 12


www.jlk.prv.pl


Zapisać w pamięci RAM od adresu 0000H 3 bajty rozkazu CALL 01ABH. Wykonać rozkaz w cyklu maszynowym obserwując zmiany na magistrali. Jaki rozkaz powinien poprzedzać CALL ?

W celu poprawnego zadziałania rozkazu CALL należy najpierw ustawićwskaźnik stosu SP.W celu dokonania tej poprawki należy na początku programu dodać rozkaz LXI SP, 0400h który to ustawi wskaźnik stosu na adres 0400h.

01h0002h

ABh0001h

CALL 01ABhCDh0000h

MnemonikWartośćAdres

01h0005h

ABh0004h

CALL 01ABhCDh0003h

04h0002h

00h0001h

LXI SP, 0400h31h0000h


36

Adres= 8*n

Np. dla RST 7

8*7=56D=38H

Wprowadzić do pamięci RAM program ustawiający wskaźnik stosu na adres 400H wykonujący kolejno rozkazy RST 7-4 i zatrzymujący mikroprocesor (rozkaz HALT ) . Pod odpowiednimi adresami , do których odwołują się RST 7-4 , umieścić rozkaz powrotu z podprogramu .


RETC9h0038h

RETC9h0030h

RETC9h0028h

RETC9h0020h

HLT76h0007h

RST 4E7h0006h

RST 5EFh0005h

RST 6F7h0004h

RST 7FFh0003h

10h0002h

00h0001h

LXI SP, 1000h31h0000h


drKlaus 13

37

Interakcja jednostki centralnej ze sterownikiem urządzenia wejścia-wyjścia

Odpytywanie (ang. polling) — procesor co jakiś czas (w szczególności bez przerwy) wykonuje rozkaz odczytu odpowiedniego rejestru sterownika, sprawdzając jego stan.Sterowanie przerwaniami (ang. interrupt-driven I/O) —procesor inicjalizuje pracę sterownika a o jej zakończeniu lub zaistnieniu określonego stanu informowany jest przez przerwanie, które zgłasza sterownik.Bezpośredni dostęp do pamięci (ang. direct memory access) — zadanie przekazywania danych pomiędzy sterownikiem a pamięcią spada na specjalizowany układ (DMA), który wykonuje swoje zadanie bez angażowania procesora.

działa?


38

PrzerwanieWstrzymanie takiego procesu, jak wykonanie programu maszynowego, spowodowane przez zdarzenie zewnętrzne w stosunku do tego procesu i realizowane w taki sposób, że proces może być jeszcze wznowiony.

procesor rejestry adaptera

inicjalizacja operacji

sprawdzanie stanu

adapter

sterownik przerwań


39

Sterowanie przerwaniami — przepływ sterowania

zapis I/O

zapis I/O

1

2a

3a

program użytkownika

modułsterujący

rozkaz I/O

4

5

14

52b4

53b

realizacja na osi czasu

podprogram obsługi

przerwania2b

2a

3b

3a

realizacja operacji I/O

realizacja operacji I/O


drKlaus 14

40

Sekwencyjna obsługa przerwań— przepływ sterowania


procedura obsługi

przerwania 1

procedura obsługi

przerwania 2


41

Zagnieżdżona obsługa przerwań— przepływ sterowania


procedura obsługi

przerwania 1procedura

obsługi przerwania 2


42

Priorytetowa obsługa przerwań— przepływ sterowania


procedura obsługi przerwania o

średnim priorytecie procedura obsługi przerwania o

wysokim priorytecie

procedura obsługi przerwania o

niskim priorytecie


drKlaus 15

43

Podać +12V na wyjście INTA. Sprawdź czy przerwanie zostanie przyjęte. Jaki rozkaz i pod jakim adresem umieścić, aby możliwe było przyjęcie przerwania?


Program ten nie reaguje na sygnał przerwania. W celu włączenia obsługi przerwań należy wykonać rozkaz EI. W podanym powyżej programie należałoby go umieścić np. zamiast rozkazu NOP

RETC9h0038h

00h0006h

03h0005h

JMP 0003hC3h0004h

NOP00h0003h

10h0002h

00h0001h

LXI SP, 1000h31h0000h


EIFBh0003h

44

Kiedy pojawia się INTE?Czy przerwanie, które przyszło przed otwarciem systemu przerwań jest zapamiętywane i obsługiwane po otwarciu?

Wysłać przerwanie w czasie pobrania kodu rozkazu JMP. Kiedy rozpocznie sięreakcja na przerwanie?

Kiedy pojawia się INTA? Kiedy zmienia się INTE?


sygnał INTE pojawia się po wykonaniu następnego (w stosunku do EI) rozkazuprzerwanie które przyszło przed otwarciem systemu przerwań zostanie zignorowaneprzerwanie które pojawi się w trakcie wykonywania rozkazu EI zostanie zignorowane (układ przerwań jest włączany po wykonaniu się kolejnego rozkazu)rozpoczęcie obsługi przerwania wysłanego w trakcie wykonywania się rozkazu JMP zostanie obsłużone po wykonaniu skokusygnał INTA pojawia się w momencie rozpoczęcia obsługi przerwaniachwilę później zostaje zdjęty z magistrali sygnał INTE w celu zapobiegnięcia przerwania obsługiwanego właśnie przerwania (można oczywiście jeśli potrzebujemy „ręcznie” odblokować system przerwań rozkazem EI)

RETC9h0038h

00h0006h

03h0005h

JMP 0003hC3h0004h

EIFBh0003h

10h0002h

00h0001h

LXI SP, 1000h31h0000h


45

Obsługa przerwań

adres mnemonika

0000000300040005003800390042

LXI SP,400HEI

NOPJMP 4 INR A

STA 80HRET

Napisać program umożliwiający przyjmowanie i zliczanie przerwań . Program obsługi przerwania znajduje się w pamięci od adresu 38H . Zliczanie przerwań ma następować w komórce pamięci o adresie 80H .


RETC9h0039hINR M34h0038h

00h000Bh08h000Ah

JMP 0008hC3h0009hEIFBh0008h

00h0007hMVI M, 00h36h0006h

00h0005h80h0004h

LXI H, 0080h21h0003h10h0002h00h0001h

LXI SP, 1000h31h0000hMnemonikWartośćAdres

drKlaus 16

46

Obsługa przerwań

LXI SP 400HEIHALTJMP 4INR ASTA 80HRET

0000000300040005003800390042

mnemonikaadres

Zmodyfikować program tak , aby przerwania były przyjmowane w stanie HALT


RETC9h003AhEIFBh0039hINR M34h0038hHLT76h0009hEIFBh0008h

00h0007hMVI M, 00h36h0006h

00h0005h80h0004h

LXI H, 0080h21h0003h10h0002h00h0001h


47

Zmodyfikowaćprogram tak, aby po przyjęciu 20 przerwań zamknąćsystem przerwań i zasygnalizowaćfakt urządzeniom zewnętrznym (np. port 8255).

RETC9h0043h13h0042h

OUT 13hD3h0041hRETC9h0040hEIFBh003Fh

00h003Eh41h003Dh

JZ 0041hCAh003Ch20h003Bh

CPI 20hFEh003AhMOV A, M7Eh0039hINR M34h0038hHLT76h0009hEIFBh0008h

00h0007hMVI M, 00h36h0006h

00h0005h80h0004h

LXI H, 0080h21h0003h10h0002h00h0001h


48

Klaus R. Lemieszewski Ł.:

Systemy operacyjne – cykl wykładów, WOM, Gorzów Wlkp., 2007, ISBN 978-83-89560-19-3

179 stronicowy podręcznik akademicki podzielono na dwie części.

W pierwszej opisane zostały podstawy teoretyczne budowy systemów operacyjnych.

W drugiej części książki znajdują się ćwiczenia, stanowiące podstawę zdobycia praktycznych umiejętności obsługi istniejących na rynku systemów operacyjnych.

Książka została wzbogacona o płytę CD zawierającązbiór programów freeware poszerzających zakres materiału do nauki systemów operacyjnych.

Ksiązka jest cenową alternatywą dla innych tego typu pozycji na rynku.

Kupić można w Księgarni Akademickiej na Politechnice Poznańskiej (budynek BM) lub u autora. ([email protected])


drKlaus 17

49

Dziękuję za uwagę

Komentarze i pytania


Prawo Balaniego: Jak długo trwa minuta, zależy od tego, po której stronie drzwi toalety się znajdujesz.

Documents

eW01 Klaus ASK struktura i dzialanie - cs.put.poznan.pl filemagistrale ALU Jednostka sterująca procesor 8 Komputer PN-ISO/IEC 2382-1:1996 - 01.03.04 Urządzenie, które jest sterowany