Архитектура компьютера

(Кэш жадының блогының  адресі) =(негізгі жадының блогының  адресі) mod (Кэш жадыдағы блоктар  саны)

Егер негізгі  жадының кейбір блоктары кэш - жадының кез келген орнында орналаса алса, онда кэш толық ассоцияланған (fully associative) деп аталады. Егер негізгі жадының кейбір блоктары кэш-жадының көптеген шектеулі орнында орналаса алса, онда кэш көптік-ассоцияланған (set associative) деп аталады. Көбіне көптік кэштегі блоктардың екі немесе одан көп саныннан құралған топты білдіреді. Егер көптік n блоктардан тұрса, онда ондай орналасу n каналды көптік-ассоцияланған (n-way set associative) деп аталады. Блокты орналастыру үшін ең алдымен көптікті анықтау керек. Көптік жады блогының адресінің кіші разрядымен (индекспен) анықталады:

(Кэш жадының көптіктің адресі) =(негізгі жадының блогының адресі) mod (Кэш жадыдағы көптіктер саны)

Әрмен қарай  блок берілген көптіктің кез келген орнында орналаса алады. Кэш-жадының мүмкін ұйымдасқан диапазоны өте кең: тікелей көрсетілімді кэш-жады жай ғана бір каналды көптік-ассоцияланған кэш-жады, ал m блокты толық ассцияланған кэш-жады m-каналды көптік-ассоцияланғандеп аталуы мүмкін. Қазіргі процессорларда дұрысында тікелей көрсетілімді кэш-жады не екі - (төрт-) каналды көптік-ассоцияланған кэш-жады қолданылады.

Кэш-жадыдағы әр блоктың, негізгі жадыдағы қандай блок кэш-жадыдағы берілген блокты білдіретінін көрсететін тегтер адресі болады. Бұл тегтер көбіне бір уақытылы процессор шығаратын жадының блок адресімен салыстырылынады. Сонымен қатар, кэш-жадыдағы блок қолдануға жарамды немесе дұрыс ақпарат құратындығын анықтайтын тәсілдер қажет. Бұл мәселені шешудің ортақ тәсілі тегке дұрыстық биті (valid bit) деп аталатын қосу болып табылады. Көптік-ассоцияланған кэш-жадыны адресациялау процессордан түскен адресті үшке бөлу арқылы орындалады: жылжыту алаңы кэш-жадының блогының ішінде байт таңдау үшін қолданылады, индекс алаңы көптіктің нөмірін анықтайды, ал тег алаңы салыстыру үшін қолданылады. Егер кэш-жадысының өлшемі белгіленген болса, онда ассоциялық деңгейін өсіру көптікте блоктар санының өсуіне әкеп соқтырады, сонымен қатар, индеск өлшемі кішірейіп, тег өлшемі өседі. Мүлт кету пайда болған кезде кэш-жадының контроллері ауыстыралытын блокты таңдауы қажет болады. Тікелей көріністі ұйымдастыруды қолданудан түсетін пайда бұл жердегі аппараттық шешімдер барынша қарапайымдылығында. Таңдайтын ештеңе жоқ: тиюге тек бір блок тексеріледі және тек осы блок ғана алмастырыла алады. Кэш-жадыны толық ассоцияланған немесе көптік –ассоцияланған ұйымдастыру кезінде, олардан мүлт кеткен жағдайда кандидат таңдау қажет болатын бірнеше блоктар болады. Дұрысында, блоктарды ауыстыру үшін екі басты стратегия қолданылады: кездейсоқ және LRU. Бірінші жағдайда, бірдей бөлістіру алу үшін, блок-кандидаттар кездейсоқ таңдалады. Кейбір жүйелерде көшірмелі әрекеті, әсіресе аппаратураны тексергенде пайдалы, алу үшін ауыстырудың жалған кездейсоқ алгоритмі қолданылады. Екінші жағдайда, жақын уақытта қажет болып қалуы мүмкін ақпараттарды лақтыру ықтималдылығын төмендету үшін блоктарға жүгінулердің барлығы белгіленеді. Барлығынан ұзағырақ қолданылмаған блок ауыстырылады (LRU - Least-Recently Used). Кездейсоқ тәсілдің жетістігі оны аппаратурада іске асыру оңайырақ. Трассаны қалыпта ұстауға арналған блоктар саны өскен кезде, LRU алгоритмі соғұрлым қымбат және жие тек жақындатылған болып келеді. Кэш-жадыға шынайы бағдарламада жүгінген кезде оқу бойынша жүгіну басым болады. Бұйрықтарға жүгінудің барлығы оқу бойынша жүгіну болып табылады, және бұйрықтардың көбін жадыға жазбайды. Көбіне жазу операциялары жадының жалпы трафигінің 10% артық емесін құрайды. Жалпы жағдайды едәуір жылдам қылу ойы кэш-жадыны оқу операциясын орындау үшін жақсартуды білдіреді, бірақта мәліметтердің жоғары өнімділікті өңдеуді іске асыру кезінде жазу операциясының да жылдамдығын ескерген жөн. Кэш-жадыдан блок сол оның тегі оқылып салыстырылған уақытта оқылады. Сөйтіп, блокты оқу блок адресі қолға түскен кезде-ақ тез басталады. Егер оқу тию арқылы орындалса, онда блок тез арада процессорға бағытталады. Егер мүлт кетсе, онда алдын ала оқылған блоктан түк пайда жоқ, бірақ зияны да жоқ.

Бірақта жазу операциясын орындау кезінде жағдай түбімен өзгереді. Процессордың өзі жазудың өлшемін (көбіне 1-ден 8 байтқа дейін) анықтайды және блоктың дәл осы бөлігі өзгертіле алады. Жалпылама жағдайда бұл деген блоктармен оқу-өзгерту-жазу операцияларының тізбегін орындауды білдіреді. Сонымен қатар, блок өзгеруі жүгіну тию екеніне көз жеткізу үшін тег тексеріліп жатқан кезде бастала алмайды. Тегтерді тексеру басқа жұмыспен параллельді орындалатынлықта онда жазу операциясы оқу операциясына қарағанда көп уақыт алады. Өте жие кэш-жадыны түрлі машиналарда ұйымдастыру осы жазуды орындау стратегиясынымен ерекшеленеді. Жазу оырндалған кезде кэш-жадыда екі базалық мүмкіндік бар: - Тура жазу (write through, store through) – ақпарат екі орынға жазылады: кэш-жадысының блогына және жадының неғұрлым төменгі деңгейдің блогына. - Кері көшірмелі жазу (write back, copy back, store in) –ақпарат тек кэш-жадының блогына жазылады. Кэш-жадының өзгертілген блогы негізгі жадыға тек ол ауысқан кезде ғана жазылады. Блоктардың көшірілунің жиілігін қысқарту үшін ауыстыру кезінде көбіне кэш-жадының әр блогы арқылы өзгеріс биті (dirty bit) деп аталатын байланыстырылады. Бұл күй биті кэш-жадыда орналасқан блок өзгертілді ме екенін көрсетеді. Егер ол өзгертілмесе, онда кері көшіру болдырмайды, өйткені төменгі деңгей кэш-жадағы секілді ақпараттарды құрайды. Екі амалда жазуды ұйымдастыруда өздерінің жетістіктері мен кемшіліктері де бар.Кері көшірмелі жазу кезінде жазу операциясы кэш-жадының жылдамдығымен орындалады және бірнеше жазбалардың сол бір блог жадыда неғұрлым төменгі деңгейлі бір жазбаны талап етеді. Бұл жағдайда негізгі жадыға жүгіну сирек болады, жалпы айтқанда жадының аз өткізу жолы керек, бұл деген мультипроцессорлік жүйелер үшін тартымды. Тура жазу кезінде оқу бойынша мүлт кетулер соғұрлым жоғары деңгейдегі жазбаға әсер етпейді , сонымен қатар тура жазу кері көшірмелі жазуға қарағанда оңай іске асырылады. Тура жазу, сонымен қатар негізгі жадыда мәліметтердің жаңа көшірме болатындығымен пайдалы. Бұл мультипроцессорлік жүйелер үшін, сонымен қатар енгізу/шығаруды ұйымдастыру үшін де маңызды. Тура жазу орындалу барысында процессор жазудың аяқталуын күткен кезде ол жазу үшін тоқтайды дейді (write stall). Жазу бойынша тоқтауларды азайту тәсілдері, процессорға жады іші жаңару уақытында бұйрықтарды орындауды жалғастыруға рұқсат беретін жазу буферін (write buffer) қолданумен байланысты. Жазу бойынша тоқтаулар жазу буферлері болса да туындайды. Жазу уақытында мүлт кетулерде екі қосымша мүмкіншіліктер болады: - Жазуды кэш-жадыға орналастыру (write allocate) (сонымен қатар жазу кезіндегі таңдау деп аталады (fetch on write)). Блок кэш-жадыға жүктеледі, ізінен тию жазуын орындағандағыдай ұқсас әрекеттер орындалады. - Жазуды кэш-жадыға орналастырмау (сонымен қатар қоршауға жазу деп аталады (write around)). Блок неғұрлым төменгі деңгейде өзгертіледі және кэш-жадыға жүктелмейді. кэш-жадыға, кері көшірмелі жазуды іске асыраты, жазуды кэш-жадыға орналастыру қолданылады (келесі жазу бұл блокқа ұсталады деген үмітпен), ал тура жазулы кэш-жадыда жазуды кэш-жадыға орналастыру жие қолданылмайды (өйткені келесі жазу бұл блокқа бәрі бір түспейді) Кэш-жадылы жүйелерде жадыға кірудің орташа уақытына арналған формула келесі түрде беріледі:

Кірудің орташа уақыты = тию кезінде жүгіну уақыты + Мүлт кету үлесі* Мүлт кету кезіндегі жоғалту 

Бұл формула кэш-жадының жұмыс жақсартудың жолдардың көрнекі түрде көрсетеді: мүлт кетулердің үліс қысқарту, мүлт кету кезінде жоғалтуды қысқарту, сонымен қатар тию кезінде кэш-жадыға жүгіну уақытын қысқарту.

2.3.Үзіліс  жүйесі. Үзіліс жүйесінің қолданылуы, жұмыс жасау принципі және ұйымдастырылуы. Енгізу-шығару жүйелері.

BIOS (Basic Input/Output System) – ТЕҚ –на (ПЗУ) енгізілген енгізу/шығарудың негізгі жүйесі (осыдан ROM BIOS аты). Ол - компьютер аппаратурасын тексеретін, қызмет көрсететін бағдарламалар жиыны және DOS пен аппаратураның арасындағы делдалдық рөлді атқарады. BIOS, қосылғанда және жүйелік платада сброс кезінде басқаруды алады да платаның өзін және компьютердің негізгі бөліктері – бейне адаптер, пернелік тақта, дискілер контроллерлері мен енгізу/шығару порттарын тестіден өткізеді, Chipset платаларын күйге келтіріп (настройка), сыртқы операциялық жүйені жүктейді. DOS, Windows қарамағында жұмыс жасаған кезде BIOS негізгі құрылғыларды басқарады, ал OS/2, UNIX, WinNT қарамағында жасағанда BIOS тек ғана бастапқы тексерулер мен күйге келтірулерді орындап, көбіне қолданылмайды. Көбіне жүйелік платада, платаның өзіне және FDD, HDD, порттар мен пернелік тақтаға жауап беретін жүйелік (Main, System)BIOS‘сы бар ТЕҚ (ПЗУ) қондырылған; жүйелік BIOS әрқашанда жүйені күйге келтіретін – System Setup бағдарламасы кіреді. Бейне адаптерлер мен ST-506 (MFM) мен SCSI интерфейсті HDD контроллерлердің бөлек ТЕҚ‗да болатын өздерінің BIOS‘ сы болады; олар сонымен қатар басқа платаларда да – дискалар мен порттардың интеллектуальды контроллерінде, тораптық карталарда және т.б. – болуы мүмкін.

Енгізу/шығару шинасы AGP шинасы. Дербес компьютердің (PC) шинасы өздеріне қойылатын талаптардың өсуіне байланысты тұрақты өзгеріске ұшырап отырады. Сөйтіп жылдамдатылған графикалық порт (AGP) бұл деген PCI шинасының кеңейтушісі, оның қызметі 3D графикасының мәліметтерінің үлкен көлемді массивтерін өңдеу болып табылады. Intel AGP-ді PCI-ға 3D графикасын енгізу алдында екі проблеманы шешу үшін шығарады. Біріншіден, 3D графика z-буфері (z- buffer) мен текстурлы карталардың (texture maps) ақпараттарның барынша үлкен жадысы керек. 3D қосымшасы үшін текстурлы карталардың неғұрлым көбі ашық болса, соғұрлым соңы нәтиже тамаша көрінеді. Қалыпты жағдайда, бейне тереңдігінің назарына қатысты ақпаратты құрайтын z- буфер текстура секілді сол бір жадыны құрайды. Бұл конфликт 3D шығарушылары үшін тиімді шешім таңдау үшін көптеген нұсқаларды ұсынады, олар текстурлар мен z-буферіне арналған жадының үлкен мәнділігіне ұштастырады және нәтижелер шығарылатын бейненің сапасына тікелей әсер етеді.

Сурет – 2.5. PCI мен AGP схемасы

PC жасаушылыр жүйелік жадыны  текстуралар мен z-буфер жөніндегі  ақпараттар сақтау үшін қолдануға мүмкіндіктері болды, бірақ осындай түрде шектеу, бұндай ақпараттты PCI штнасы арқылы жіберу болды. Графикалық ішкі жүйе мен жүйелік жадының өнімділігі PCI шинасының физикалық сипаттамаларымен шектеледі. Сонымен қатар, PCI-дің өткізу жолдарының ені немесе оның сыйымдылығы шынайы уақыт режимінде графиканы өңдеуге жеткіліксіз. Intel осы проблеманы шешу үшін AGP жасап шығарады. Егер қысқаша AGP деген не десек, онда бұл – графикалық ішкі жүйе мен жүйелік жадының арасын тікелей байланыстыру. Бұл шешім, PCI шинасы арқылы тасымалдау кезеніндегіге қарағанда мәліметтерді тасымалдаудың барынша өте жақсы көрсеткіштерін қамтамассыз етуге мүмкіндік береді және шынайы уақыт режимінде 3D графиканың шығару талаптарын қанағаттандыру үшін шығарылған. AGP беттік буфер (frame buffer) жадысын барынша нәтижелі қолдануға мүмкіндік береді, сонымен бірге 2D графика өнімділігін және 3D графиканың мәліметтер ағындарының жүйе арықыл өту жылдамдығын арттырады. AGP-ді графикалық ішкі жүйе мен жүйелік жадының арасын тікелей байланыстың түрі ретінде анықтау point-to-point байланысы деп аталады. Шын мәнінде, AGP графикалық ішкі жүйені жүйелік жадының басқару бөлігімен, бұл жадыға кіруді компьютердің орталық процессорымен (CPU) бөлісу арқылы, байланыстырады.

2.4. Интерфейс қолданылуы және мүмкіндіктері, компьютердің негізгі интерфейсі.

Дербес компьютерлердің  атақты шиналарының бірі болып - IBM PC бөлімдеріндегі алғашысы XT архитектурасының шинасы XT- Bus табылады. Салыстырмалы қарапайым, 20-разрядты (1 Мб) адрестік кеңістіктің ішінде 8-разрядты мәліметтермен ("8/20 разрядтылық" болып белгіленеді) алмасуды қамтамассыз етеді, 4.77 МГц жиілігінде жұмыс жасайды. IRQ жолдарын ортақ пайдалану жалпы жағдайда мүмкін емес. 62-контактілі алып-салғыштарда (разъемах) конструктивті жасалған. ISA (Industry Standard Architecture - өнеркәсіптік стандарт архитектура) - PC АТ (басқа атауы - АТ-Bus) түріндегі компьютерлердегі негізгі шина. XT-Bus-тың кеңейтілген түрі болып табылады, разрядтылығы - 16/24 (16 Мб), тактілі жиілігі - 8 МГц, шекті істеп шығу қабілеттілігі -5.55 Мб/с. Сонымен қатар, IRQ-ді бӛлістіру мүмкін емес. Стандартты емес ұйымдастыру Bus Mastering мүмкін, бірақ ол үшін бағдарламаланған 16-разрядты DMA каналы қажет. 62-контактілі алып-салғыш XT-Bus түрінде конструктивті жасылған. Оған 36-контакілі алып-салғыш кеңейткіші тіркелінген.

EISA (Enhanced ISA - кеңейтілген ISA) – функционалды және конструктивті кеңейтілген ISA. Сыртқы алып-салғыштары ISA-дағыдай, және оларға ISA платалары да салынады, бірақ алып-салғыш түбінде қосымша бірқатар EISA контактілер болады, ал EISA платаларында қосымша контактілер қатары бар алып-салғыштың едәуір жоғары аяқты бөлігі болады. Разрядтылығы - 32/32 (адресті кеңістігі - 4 Гб), сонымен қатар 8 МГц тактілі жиілігінде де жұмыс жасайды. Шекті істеп шығару қабілеттілігі- 32 Мб/с. Bus Mastering-ті ұстанады – шинадағы кез келген құрылғылар тарапынан шинаны басқару режимі, шинадағы құрылғыларға рұқсат алуды басқаруға арналған арбитраж жүйесіне ие, құрылғылар параметрлерін автоматты түрде реттеуге мүмкіндік береді, IRQ және DMA каналдарын бөлістеру мүмкін. МСA (Micro (Сhannel Architecture - микроканалды архитектура) – IBM фирмасының PS/2 компьютерлерінің шинасы. Басқалардың біреуімен де сыйыспайды, разрядтылығы - 32/32, (базалығы - 8/24, қалғандары – кеңейтушылер ретінде). Bus Mastering ұстанады, арбитраж бен автоматты конфигурацияға ие, синхронды (алмасу циклінің ұзақтығы қатаң белгіленген), шекті істеп шығару қабілеттілігі - 40 Мб/с. Конструктивті түрде тұтас бір үш секциялы алмалы-салмағыш (разъем) (VLB-дағыдай) көрінеді. Бірінші, негізгі секция - 8-разрядты (90 контактілі), екіншісі - 16- разрядты кеңейтуші (22 контакттілі), үшінші - 32- разрядты кеңейтуші (52 контакттілі). Негізгі секцияда дыбыс сигналдарын тасымалдауға арналған жолдар қарастырылған. Қосымша алмалы-салмағыштардың бірінің қасына бейне кеңейтуші (20 контактілі) алмалы-салмағыш орнатылады. EISA мен МСА көп жағдайда параллельді, EISA-нің пайда болуы бұл IBM-нің МCА архитектурасына меншігімен түсіндіріледі.

VLВ (VESA Local Bus - VESA стандартының локальды шинасы ) - 32-разрядты (ISA шинасына қосымша). Конструктивті түрде ISA алмалы-салмағыш болғанда қосымша алмалы-салмағыш болып табылады (МСА кесілді 116- контактілі,). Разрядтылығы - 32/32, тактлі жиілігі - 25..50 МГц, алмасудың шекті жылдамдығы - 130 Мб/с.Электронды түрде процессордың локалды шинасы түрінде жасалынған – процессордың көптеген шығатын және кіретін сигналдары аралық буферизациясыз VLB-платаларына беріледі. Осының салдарынан процессордың шығыс каскадына түсетін күш өседі, локалды шинадағы сигналдар сапасы нашарлайды және оның бойымен алмасудың сенімділігі төмендейді. Сондықтан VLB қондырылатын құрылғылар санына қатаң шектеу қояды: 33 MГц -те - үшеу, 40 МГц-те – екеу, және 50 МГц-те - біреу, сонымен бірге олардың барлығы жүйелік платаға етене енгізілген болғаны жақсы.

РCI (Peripheral Component Interconnect – сыртқы компоненттерді байланытыру) – VLB-нің EISA/MCA жағында дамуы. Басқалардың біреуімен де сыйыспайды, разрядтылығы - 32/32(кеңейтілген нұсқасы - 64/64), тактлі жиілігі - 33 МГц дейін (PCI 2.1 - 66 МГц дейін), істеп шығару қабілеттілі - 132 Мб/с дейін (66 МГц-гі 32/32 үшін 264 Мб/с және 66 МГц-гі 64/64 үшін 528 Мб/с), Bus Mastering ұстанады және автоматтандырылған конфигурация. Бір сегментегі шинаның алмалы-салмағыштар саны төртеумен шектелген. Сегменттер бірнеше болуы мүмкін, олар бір-бірімен көпірлер (bridge) арқылы байланысады. Сегменттер түрлі топологияда (бұтақ, жұлдызша және т.б.) байланысуы мүмкін. Қазіргі таңда ең танымал шина, сонымен бірге басқа да компьютерлерде қолданылады. Алмалы-салмағышы MCA/VLB-қа ұқсас, бірақ ұзынырақ (124 контактілі). 64-разрядты алмалы-салмағыштың өз кілті бар қосымша 64-контактілі секциясы болады. Оларға арналған карталар мен алмалы-салғыштардың барлығы 5В, 3.3 В сигналдар деңгейінен ұстанатындар мен әмбебаптар болып бөлінеді; бірінші екі тип бір-біріне сәйкес келуі керек, ал әмбебап карталар кез келген алмалы-салғышқа салынады. PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – дербес компьютерлерге арналған жады платаларын шығарушылар ассоциациясы) - NoteBook класына жататын компьютерлердің сыртқы шинасы Модулдың басқа атауы PCMCIA - PC Card. Барышна қарапайым, разрядтылығы - 16/26 (адрестік кеңістігі - 64 Мб), автоконфигурацияны ұстанады, құралғыларды компьютердің жұмыс жасау процессінде қосуға және айыруға болады. Конструктивтілі - миниатюрлі 68-контактілі алмалы-салмағыш. Ток көзінің контактілері барынша ұзын етіліп жасалынған, бұл деген өз кезегінде компьютер тоғы қосылып тұрғанда картаны салып және қайта суыруға мүмкіндік береді.

USB шинасы USB шинасы компьютер (құрылғының орталық процессоры) мен жүйе конфигурациясының динамикалық (ыстық) өзгерісі жағдайында оған жалғанған перифериялық құрылғылар (ПҚ) арасында мәліметтер алмасымын қамтаммассыз етуге арналған. Сондықтан USB-ге цифрлы бейнекамера мен қатты жоғарғы жылдамдықты дискілерден басқа барлық периферийнді құрылғыларды жалғаған жөн. Әсіресе бұл интерфейс, фотокамералар секілді жие қосылып сӛндірілетін құралдарды жалғау үшін ыңғайлы. USB-ге арналған алмалы-салғыштардың конструкциясы көп рет қосып-бөлуге есептелінген. Тек ғана мәліметтермен алмасудың екі жылдамдығын қолдану мүмкіндігі шинаның қолданысын шектейді, бірақ интерфейстің жолдарының санын едәуір азайтады және аппаратты іске асыруды жеңілдетеді. Тікелей USB-ден қоректену тек аз тұтынатын пернелер тақтасы, тышқан, джойстик және т.б. секілді құрылғылар үшін мүмкін. USB хост-контроллері операциялық жүйенің түрлі көмекшілерімен (службами) белсенді түрде өзара байланысады. Мысалы, ОЖ-де энергия ресурстарын басқару АРМ (advanced power management) көмекшісі болған кезде USB-дің БЖ (ПО) ұстап қалып, бұл көмекшінің, нақты құрылғының жұмыс күйінің қызметін тоқтатуға және қалпына келтіруге арналған сұранысын орындайды. USB-дің қолданбалы интерфейсінде берілген ОЖ-ге арналған құрылғылардың стандартты класстарының драйверін болады. Бұл жерде ОЖ-нің ерекше көмекшілеріне жүгіну қолданылады, дербес жағдайда Windows 95 үшін стандартты емес жабдықтарды шығарушылар USB шинасының Шинаның жүйелік ОЖ мен алмасудың арнайы хаттамалары клиенттік ОЖ-тан (қолданбалы бағдарламалардан) USB шинасының бірге қолданатын ресурстарына, оны екі нүктелі байланыс жүйесіне әкелу арқылы, маркер арқылы рұқсат алудың орталық басқаруындағы күрделілікті жасырады. Мінекей, USB осындайлығымен, клиенттік ОЖ адресатпен тілей жұмыс жасайтын PCI, EISA, PCMCIA ерекшеленеді.