Základní principy počítačů II

Note	Kombinační a sekvenční logické obvody. Von Neumannova architektura. Principy práce procesoru, přerušení. PB150/PB151

Elektronické obvody

Elektronické součástky (rezistory, tranzistory, kondenzátory, atd.) propojené vodiči.

Kombinační logické obvody

Takové elektronické obvody sestávající se z logických hradel (logic gate), kde výstup závisí jen na aktuální kombinaci vstupů. Tedy zejména nemají paměť a dají se popsat pravdivostní tabulkou a výrazy výrokové logiky.

Mezi základní logické obvody patří:

Invertor (NOT),
AND,
OR,
XOR (sčítačka mod 2),
NAND (Shefferova algebra),
NOR (Pierceova algebra).

Mezi ty zajímavější patří:

Polosčítačka: Dává kromě součtu i přenos z nejvyššího bitu ven.
Úplná sčítačka: Dává kromě součtu i přenos nejvyššího a druhého nejvyššího bitu.
Násobička: Násobí dvě čísla v doplňkovém kódu. Operandy jsou v 32-bitových registrech, výsledek v 64-bitovém.

Sekvenční logické obvody

Takové elektronické obvody sestávající se z logických hradel, kde výstup závisí nejen na aktulní kombinaci vstupů ale i na posloupnosti minulých vstupů.

Klopný obvod RS (reset, set)

Stavební prvek sekvenční obvodů. Řízený jedničkami:

Přivedení hodnoty 1 na $R$ způsobí vynulování uložené hodnoty. Přivedení hodnoty 1 na $S$ nastaví uloženou hodnotu na 1. Pokud ani $R$ ani $S$ nejsou 1, pak obvod propouští uloženou hodnotu.

$R$	$S$	$Q_{i}$
0	1	1
1	0	0
0	0	$Q_{i - 1}$
1	1	Zakázaný stav

Klopný obvod D (delay)

Klopný obvod RS doplněný o synchronizaci, takže uloženou hodnotu lze změnit jen, pokud je na vstup $T$ přiveden impuls. Navíc je vstup $D$ přiveden na $S$ a $\overline{R}$ .

Klopný obvod JK

Jako RS, ale stav $J = 1, K = 1$ není zakázaný, nýbrž invertuje uloženou hodnotu. Je vždy synchronizovaný.

Sériová sčítačka

Synchronizovaný obvod užívající klopné obvody k uchování výsledků.

Von Neumannova architektura

Model digitálního počítače, který se sestává z: operační paměti, aritmeticko-logické jednotky (ALU), řídicí jednotku (CU), a vstupně/vstupních zařízení.

CU vykonává program uložené ve formě binárních instrukcí v paměti.
Místa v paměti jsou označena adresami.
Změna pořadí instrukcí je možná díky instrukcím podmíněného a nepodmíněného skoku.
Zpracování dat probíhá samočinně.

Principy práce procesoru

Procesor je synchronní výpočetní a řídicí jednotka. Dá se na něj dívat taky jako na sloučení ALU a CU z Von Neumannovy architektury. Obsahuje:

řadič — intepretuje instrukce,
registry — uchovávají operandy a instrukce,
aritmeticko-logické jednotky a jednotky plovoucí čárky — vykonávají aritmetické operace,
cache — malá pamět zrychlující přístup do operační paměti.
Takt procesoru

Základní frekvence (rychlost procesoru) — počet provedených instrukcí za jednotku času.

Strojový cyklus

Čas potřebný k zápisu/čtení slova z paměti.

Instrukční cyklus
Čas potřebný k výběru a provedení instrukce. Má následující fáze:
zjištění, co za instrukci se má provést,

provedení instrukce,

přerušení.
Mikroinstrukce

Každá instrukce se skládá z dílčích mikroinstrukcí.

Přerušení

Mechanismus pro asynchronní obsluhu událostí, který umožňuje pozastavit vykonávaný proces na základě externí příčiny, uložit si stav, zapamatovat si místo návratu a potom se k procesu znovu vrátit. Např. přerušení od časovače (proces běží dlouho, měl by se vyměnit).

Note	Hardware se hlásí, chce se na něco zeptat asi. Software se umí hlásit taky, ale dá se umlčet.

Vnější přerušení: Vyvolává je I/O zařízení, které si tak vyžaduje pozornost — chce obsloužit (přesunout data apod.).
Vnitřní přerušení: Vyvolává je sám procesor, pokud dojde k nějaké chybě (dělení nulou, výpadek stránky, přístup na špatné místo v paměti).
Řadič přerušení: Speciální obvod, který dokáže určit prioritu jednotlivých přerušení.
Softwarové přerušení: Synchronní, je to speciální strojová instrukce, která se používá pro systémová volání, nachází se přímo v programu.

Kdy nelze přerušit proces?

Během provádění instrukce.
Pokud je dané přerušení zakázáno (příznak Interrupt Flag (IF) je nastaven na 0).
Bezprostředně po zahájení obsluhy předchozího přerušení. Obsluha přerušení může uvnitř sebe povolit další přerušení.

Průběh přerušení

Zařízení: Přerušuji! (IRQ)

Řadič přerušení: (IF je nastaveno na 1) Zaznamenáno. (INTR)

CPU: (Právě vykonalo instrukci) Chce mě někdo přerušit? (INTA)

Řadič přerušení: Ano, číslo přerušení je [DATA VYMAZÁNA].

CPU: Dobře, takže zakazuji další přerušení (nastaví IF na 0), ukládám aktuální stav registrů na zásobník (PUSH) a spouštím obsluhu přerušení [DATA VYMAZÁNA].

CPU: (Provede obsluhu přerušení.)

CPU: Povoluji přerušení (nastaví IF na 1) a obnovuji předchozí stav registrů ze zásobníku. (RET a POP)