Лекция.

Архитектура современных ЭВМ.

Структура курса

7 лекций
7 лабораторных работ (ассемблер).
Зачет: сданы все лабы.

Компьютерная система

Программное обеспечение + аппаратная часть
Программы + компьютер
[Приложения + операционная система] + компьютер
Язык программирования + операционная система + архитектура компьютера

Сборка приложений (на примере C программы)

Ядро ОС

ОС компьютера, такая как macOS, Windows или Linux — это коллекция программного обеспечения, выполняющая всю основную работу.
"Основная работа" — это общее понятие, и, в зависимости от ОС, может включать такие вещи, как приложения, шрифты, иконки, которые поставляются с компьютером по умолчанию.
Каждая ОС имеет ядро.
Когда вы включаете компьютер, указатель инструкции запускает какую-то программу.
Этой программой является ядро.
Ядро имеет почти полный доступ к памяти, периферийным устройствам и другим ресурсам и отвечает за запуск ПО, установленного на компьютере (пользовательских программ).
Linux — это всего лишь ядро, которому для полноценной работы требуется множество пользовательских программ, таких как оболочки (shells) и серверы отображения (display servers). Ядро macOS называется XNU, а современное ядро Windows — NT Kernel.

Абстракции операционной системы

Абстракция 1: процессы

приложения: приложение
операционная система: процесс
аппаратная часть: компьютер

Абстракция 2: виртуальная память

приложения: адресное пространство.
операционная система: виртуальная память
аппаратная часть: физические планки памяти

Абстракции операционной системы

Абстракция 3: файловая система

приложения: файлы, директории
операционная система: файловая система
аппаратная часть: диск

Абстракция 4: связь

приложения: сокеты
операционная система: TCP/IP протокол
аппаратная часть: сетевой интерфейс

Что такое компьютер?

Классическая модель вычислений фон Нейман.

Память компьютера состоит из ячеек, каждой из которых присвоен номер — адрес. Любая из ячеек доступна компьютеру в любой момент времени, и он может обратиться к её содержимому по адресу.
Память компьютера используется как для хранения данных, так и для хранения программы. Команды и числа кодируются в двоичной системе счисления. Над командами можно производить те же операции, что и над числами. На этом принципе основана трансляция — перевод текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной ЭВМ.

Классическая модель вычислений фон Нейман.

Компьютером управляет программа, которая состоит из команд, хранящихся в последовательных ячейках памяти. Каждая команда выполняет операцию из набора операций, доступных компьютеру.
Компьютер выполняет команды последовательно — от первой к последней, согласно порядку следования в программе. Этот порядок может быть изменён с помощью специальных команд в зависимости от результатов вычислений.

Что такое компьютер?

Один CPU: один вычислительный узел
Шина данных: данные из области памяти должны передаваться в вычислительный узел и обратно.
Монолитная память: хранит данные и инструкции
Инструкции из заданного набора.

Классический компьютер сегодня

ЦП

ЦП — это место, в котором происходят все вычисления.
Первым массовым ЦП был Intel 4004, спроектированный в конце 60-х итальянским физиком и инженером Федерико Фарджином.
Это была 4-битная архитектура, а не 64-битная, которая используется сегодня.
4-битная архитектура была гораздо менее сложной, чем современные процессоры, но многое осталось почти неизменным.
"Инструкции", выполняемые ЦП — всего лишь двоичные (binary) данные: байт или два для представления запускаемой инструкции (код операции — opcode), за которыми следуют данные, необходимые для выполнения инструкции.
То, что мы называем машинным кодом (machine code) — всего лишь серия этих бинарных инструкций в виде строки.
Assemble — это полезный синтаксис, облегчающий чтение и запись сырых (raw) битов людьми.
Он всегда компилируется в двоичные данные, понятные ЦП.

ЦП

Оперативная память

Оперативная память или оперативное запоминающее устройство (Random Access Memory, RAM) — это основное хранилище компьютера
большое многоцелевое пространство, где хранятся все данные, используемые программами, запущенными на компьютере.
Это включает код самих программ, а также код ядра (kernel) операционной системы.
ЦП всегда читает машинный код прямо из ОП.
Код, не загруженный в ОП, не может быть выполнен.

ОП

ЦП хранит указатель инструкции (instruction pointer), который указывает на место в ОП, где находится следующая инструкция.
После выполнения всех инструкций, ЦП возвращает указатель в начало, и процесс повторяется.
Это называется циклом выборки-исполнения (fetch-execute cycle).

ОП

После выполнения инструкции указатель передвигается за нее в ОП и таким образом указывает на следующую инструкцию.
Указатель инструкции двигается вперед, и машинный код выполняется в порядке его хранения в памяти.
Некоторые инструкции могут заставить указатель переместиться (перепрыгнуть — jump) в другое место (выполнить другую инструкцию вместо текущей или выполнить одну из инструкций в зависимости от определенного условия).
Это делает возможным повторное и условное выполнение кода.

Регистры

Указатель инструкции хранится в регистре (registry).
Регистры — это маленькие хранилища, которые являются очень производительными для чтения и записи ЦП.
Каждая архитектура ЦП имеет фиксированный набор регистров, используемых для всего: от хранения временных значений в процессе вычислений до настройки процессора.
Некоторые регистры доступны из машинного кода напрямую, например, ebx
Другие регистры предназначены только для внутреннего использования ЦП, но часто могут обновляться или читаться с помощью специальных инструкций.
Одним из примеров такого регистра является указатель инструкции, который не может читаться напрямую, но может обновляться, например, для выполнения другой инструкции вместо текущей.

Организация памяти

Режимы

Режим (mode) (иногда именуемый уровнем привилегий (privilege level) или кольцом (ring)), в котором находится процессор, управляет тем, что разрешено делать.
В современных архитектурах имеется, как минимум, два варианта: режим ядра/администратора (kernel/supervisor mode) и режим пользователя (user mode).
Несмотря на то, что архитектура может поддерживать более двух режимов, как правило, используются только режимы ядра и пользователя.
В режиме ядра разрешено все: ЦП может выполнять любую поддерживаемую инструкцию и обращаться к любой памяти.
В режиме пользователя разрешен только определенный набор инструкций, ввод/вывод (input/output, I/O) и доступ к памяти ограничены, многие настройки ЦП заблокированы.
Как правило, ядро и драйверы запускаются в режиме ядра, а приложения — в режиме пользователя.
Процессоры запускаются в режиме ядра.
Перед выполнением программы ядро инициализирует переключение в пользовательский режим.

Чтение hello с клавиатуры

Загрузка программы в память

Отображение hello

Многопроцессорность

Инженерная работа

Спецификация: описание того, что должна делать?
Синтез: поиск решения, нахождение наилучшего решения.
Реализация: описание как должно быть это построено?
Анализ: проверка того, что получилось с тем что должно было получиться.