Computersysteme in Überblick Kapitel 1

Betriebssysteme Verwendet einen oder mehrere Prozessoren und die übrigen Hardwareressourcen, um Computernutzern Dienste bereitzustellen. Verwaltet darüber hinaus den Sekundärspeicher und die angeschlossen E/A Geräte

Basiselementen Prozessor Hauptspeicher wird auch als Arbeits-, Real, oder Primärspeicher bezeichnet flüchtig E/A-Module Sekundärspeicherlaufwerke Kommunikationsanschaltungen Terminals Systembus Kommunikation zwischen den Prozessoren, Hauptspeicher, und E/A-Module

Computerkomponenten- oberste Ebene

Prozessorregister Für den Benutzer sichtbare Register Sie ermöglichen es dem Programmierer, die Anzahl der Hauptspeicherzugriffe durch Registereinsatz zu vermindern Steuerregister und Statusregister vom Prozessor für die Steuerung der Operationen des Prozessors verwendet vom Betriebssystemroutinen für die Steuerung der Ausführung von Programme verwendet

Für den Benutzer sichtbare Register Kann in Maschinenbefehlen referenziert werden Steht im Allgemeinen allen Programmen, Anwendungsprogrammen und System-programmen, zur Verfügung. Registertypen: Daten Adresse Index Segmentzeiger Stapelzeiger

Für den Benutzer sichtbare Register Adressregister Indexregister ein Index wird zu einem Basiswert addiert, um die effektive Adresse zu erhalten Segmentzeiger bei der segmentierte Adressierung wird Speicher in Segmenten aufgeteilt, ein Speicherverweis besteht aus einer Segmentadresse und einem Offset Stapelzeiger zeigt auf das obere Ende des Stapels

Stapelzeiger code data Dynamic memory heap - automic variables, stack stackpointer Dynamic memory - automic variables, - parameter - return value

Steuerregister und Statusregister Programmzähler (PC) Enthält die Adresse des nächsten abzurufenden Befehls Befehlsregister (IR) Enthält den zuletzt abgerufenen Befehl Programmstatuswort (PSW) Zustandscodes Interrupt freigegeben/gesperrt Supervisor/user modus

Steuerregister und Statusregister Zustandscodes auch Flags genannt Bits, die jeweils nach der Durchführung einer Operation durch die Prozessorhardware gesetzt werden kann mit privilegierten Maschinen-befehlen auf zugegriffen werden, aber können damit nicht geändert werden Beispielen positives Ergebnis negatives Ergebnis Null Überlauf

Befehlscyclus

Abruf und Ausführung von Befehlen Der Prozessor ruft einen Befehl aus dem Speicher auf Programmzähler (PC) enthält die Adresse des nächsten Befehles Der Wert des Programmzähler wird erhöht

Befehlsregister Der abgerufen Befehl wird in das Befehlsregister geladen. Befehlstypen Prozessor-Speicher Daten übertragen vom Prozessor zum Speicher oder von Speicher zum Prozessor Prozessor-E/A Daten übertragen vom und zum Peripheriegerät Datenverarbeitung arithmetische oder logische Operationen mit Daten Steuerung ändere der Ausführungsreihenfolge

Operationscode (opcode) 0001 = Akkumulator aus dem Speicher laden 0010 = Akkumulator im Speicher ablegen 0101 = Aus dem Speicher dem Akkumulator hinzufügen 4 15 3 Opcode Address Instruction format sign Number Integer

Beispiel einer Programmausführung

Direkter Speicherzugriff (DMA) E/A-Austausch direkt mit dem Speicher Prozessor gibt einem E/A-Module den Auftrag, Daten aus dem Speicher auszu-lesen oder Daten in den Speicher zu schreiben. Nimmt dem Prozessor die Verantwortung für den Datenaustausch Der Prozessor ist frei für andere Tätigkeiten

Interrupts Eine Unterbrechung der normalen Arbeit des Prozessors Verbessert die Prozessoreffizienz Erlaubt dem Prozessor andere Befehlen auszuführen während eine E/A-Operation ausgeführt wird Das Anhalten eines Prozesses der verursacht wird durch ein Ereignis, (Event) außerhalb dieses Prozesses und so ausgeführt das dieser Prozess später fortgesetzt werden kann.

Interrupt-Klassen Programm Zeitgeber E/A Hardwareausfall arithmetischer Überlauf Division durch null Ausführung einen unzulässigen Maschinenbefehl ein Verweis auf eine Zelle außerhalb des für den Benutzer zugänglichen Speicherbereichs Zeitgeber E/A Hardwareausfall

Interrupt-Handler Ein Programm das die Art des Interrupts ermittelt und dementsprechend die notwendigen Aktionen ausführt. Steuerung wird zu diesem Programm verzweigt Ist generell Teil des Betriebssystems

Befehlszyclus

Befehlszyklus Der Prozessor prüft ob ein Interrupt vorliegt. Wenn kein Interrupt vorliegt, wird der nächste Befehl geladen. Wenn ein Interrupt vorliegt, wird die Ausführung des aktuellen Programms unterbrochen, und der Interrupt-Handler wird ausgeführt.

Mehrprogrammbetrieb Der Prozessor hat mehr als ein Programm auszuführen. Die Reihenfolge, in der die Programme ausgeführt werden, hängt von Ihrer relativen Priorität und der Frage ab, ob sie auf eine E/A warten Nach Beendung der Interrupt-Handler-Routine wird die Steuerung möglicherweise nicht sofort wieder an das Benutzerprogramm übergeben, dass sich zu dieser Zeit in der Ausführung befand.

Speicherhierarchie

Hierarchie von oben nach unten betrachtet Sinkende Kosten pro Bit Steigende Kapazität Steigende Zugriffszeit Geringere Häufigkeit des Zugriffs auf den Speicher durch den Prozessor Das Lokalitätsprinzip ist hier zutreffend.

Festplatten-Cache Ein Teil des Hauptspeicher wird verwendet als Puffer für das zeitweise Speichern von Daten, die auf die Festplatte ausgelesen werden sollen. Das Schreiben auf der Platte erfolgt gebündelt. Einige Daten die ausgelesen werden, können schnell aus dem Software-Cache gelesen werden und müssen nicht langsam von der Platte eingelesen werden.

Cache-Speicher Unsichtbar für das Betriebssystem Erhöht die Geschwindigkeit des Hauptspeicher. Die Geschwindigkeit des Prozessors is größer als die Geschwindigkeit des Hauptspeicher.

Cache-Speicher

Cache-Speicher Enthält die Kopie eines Teils des Hauptspeichers. Wenn der Prozessor versucht, ein Wort aus dem Speicher zu lesen, wird zunächst geprüft, ob sich das Wort im Cache befindet. Ist das nicht der Fall, wird ein Block des Hauptspeichers in den Cache eingelesen.

Cache/Main Memory System

Cache-Entwurf Größe des Cache Blockgröße ein kleiner Cache kann eine signifikante Wirkung auf die Leistung haben Blockgröße der Dateneinheit, die zwischen dem Cache und dem Hauptspeicher ausgetauscht wird. Ein Treffer bedeutet, die Information wurde im Cache gefunden. Mit zunehmender Blockgröße wird die Trefferquote steigen, bis die Wahrschein-lichkeit der Verwendung neu aufgerufener Daten geringer wird als die Wahrscheinlichkeit der erneuten Verwendung von Daten.????

Cache-Entwurf Zuordnungsfunktion Ersetzungsalgorithmus Legt den Speicherplatz im Cache für den Block fest. Ersetzungsalgorithmus Wählt den zu ersetzenden Block, er soll denjenigen Block zur Ersetzung auswählen, bei dem die Wahrscheinlichkeit, dass er in nächster Zukunft erneut benötigt wird, am geringsten ist Least-Recently-Used (LRU) Algorithmus

Cache-Entwurf Schreibverfahren = Bestimmung des Zeitpunkts, an dem ein Block im Cache zurück in den Hauptspeicher geschrieben werden soll. Jedes Mal wenn der Block aktualisiert wird. Nur wenn der Block ausgetauscht wird. Weniger Schreiboperationen. Hauptspeicher zeitweise in einem veralteten Zustand.

Programmierte E/A Das E/A-Module führt die Tätigkeit aus, nicht der Prozessor Setzt die entsprechende Bits im E/A Statusregister Interrupts finden nicht statt. Der Prozessor prüft regelmäßig den Status des E/A-Moduls (E/A Statusregister), bis er feststellt, dass die Operation beendet ist.

Interrupt-gesteuerte E/A Der Prozessor wird unterbrochen (interrupted) wenn das E/A-Module fertig ist. Der Prozessor ist frei um andere Tätigkeiten auszuführen. Kein nutzloses Warten Jeglicher Datentransfer läuft über den Prozessor (Nachteil)

Direkter Speicherzugriff Das DMA-Modul überträgt den gesamten Datenblock, direkt in oder aus dem Speicher Nach Beendigung des Transfers sendet das DMA-Modul ein Interrupt-Signal an den Prozessor. Der Prozessor ist nur zu Beginn und am Ende der Übertragung beteiligt.