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.

Основные функции ядра

• Управление процессами (Process Management): создание, планирование и завершение процессов и потоков (threads).
• Мультизадачность: распределение времени процессора между несколькими процессами.
• Управление памятью (Memory Management): выделение и освобождение оперативной памяти для процессов.
• Виртуальная память: организация подкачки (swapping) данных на диск, когда RAM недостаточно.

Основные функции ядра

• Управление устройствами (Device Management / I/O): обеспечение доступа к периферийным устройствам через драйверы устройств.
• Драйвер — это переводчик между ядром и конкретным устройством.
• Управление файловой системой (File System Management): организация хранения, чтения и записи данных на дисках.
• Обеспечение прав доступа к файлам и каталогам.

Системные вызовы (System Calls) — Интерфейс ядра

• System Call — это запрос от программы в User Mode к ядру на выполнение привилегированной операции.
• Это единственный легальный способ для приложения получить доступ к ресурсам.
• Примеры: open() (открыть файл), fork() (создать процесс), send() (отправить данные по сети).

Типы ядер: Монолитное vs Микроядро

• Монолитное ядро (Monolithic Kernel): все основные функции выполняются в одном адресном пространстве.
• Примеры: Linux, UNIX. Плюсы: Высокая производительность. Минусы: Меньшая стабильность.
• Микроядро (Microkernel): в режиме ядра работает только минимальный набор функций.
• Примеры: macOS (XNU). Плюсы: Высокая стабильность и безопасность. Минусы: Большие накладные расходы.

Гибридные ядра и примеры

• Большинство современных ядер являются гибридными (Hybrid Kernel).
• Сочетают идеи монолитного ядра и микроядра для баланса производительности и стабильности.
• Windows NT Kernel: монолитное по design, но с элементами микроядра.
• macOS XNU: основано на микроядре Mach, но включает части монолитного ядра BSD.

Дистрибутивы Linux: Ядро + Пользовательское пространство

• Linux — это действительно только ядро.
• Полноценная ОС = Ядро Linux + Набор программ из проекта GNU + Другие компоненты.
• Такая сборка называется дистрибутив (distribution).
• Примеры дистрибутивов: Ubuntu, Fedora, Debian, Android.

Что такое монолитное ядро?

• Монолитное ядро — это архитектура ядра ОС, в которой все компоненты работают в одном адресном пространстве
• Все службы ядра (управление памятью, файловая система, драйверы устройств) выполняются в режиме ядра
• Компоненты тесно связаны между собой и имеют прямой доступ к данным друг друга
• Взаимодействие между компонентами происходит посредством вызовов функций
• Примеры ОС с монолитным ядром: Linux, Unix, FreeBSD, MS-DOS

Архитектурные особенности монолитного ядра

• Единое адресное пространство для всего кода ядра
• Отсутствие границ между компонентами ядра
• Высокоинтегрированные компоненты с минимальными накладными расходами на взаимодействие
• Возможность оптимизации взаимодействия между компонентами
• Простота разработки и отладки благодаря единой кодовой базе
• Использование модулей для динамической загрузки компонентов

Принципы работы монолитного ядра

• Все системные вызовы обрабатываются в одном адресном пространстве
• Отсутствие механизмов изоляции между компонентами ядра
• Прямой доступ ко всем структурам данных ядра из любой его части
• Использование единой системы разрешений и привилегий
• Возможность оптимизации межкомпонентного взаимодейщения за счет отсутствия границ
• Единая система обработки ошибок и исключений

Процесс обработки системного вызова в монолитном ядре:

1. Приложение выполняет системный вызов
2. Процессор переключается в режим ядра
3. Вызов передается соответствующему обработчику в ядре
4. Обработчик может напрямую обращаться к любым структурам ядра
5. Результат возвращается приложению
6. Процессор возвращается в пользовательский режим

Сравнение с другими архитектурами ядер

Эволюция и современное состояние монолитных ядер

• Современные монолитные ядра поддерживают модульную архитектуру
• Динамическая загрузка и выгрузка модулей ядра
• Использование механизмов изоляции для повышения безопасности
• Поддержка симметричной многопроцессорности (SMP)
• Оптимизации для уменьшения времени удержания спинлоков
• Преемптимость ядра для уменьшения задержек

Современные тенденции развития монолитных ядер:

• Внедрение элементов микроядерной архитектуры
• Улучшение механизмов изоляции и безопасности
• Поддержка горячей замены компонентов ядра
• Оптимизация для энергоэффективных систем
• Улучшение инструментов отладки и профилирования
• Поддержка контейнеризации и виртуализации

Известные представители монолитных ядер:

• Linux — наиболее популярное монолитное ядро с поддержкой модулей
• FreeBSD Kernel — монолитное ядро с расширенными сетевыми возможностями
• OpenSolaris Kernel — монолитное ядро с уникальными особенностями
• XIV — экспериментальное монолитное ядро с улучшенной архитектурой

Что такое микроядро?

• Микроядро — это минимальная реализация функций ядра ОС
• В режиме ядра выполняются только самые базовые функции: управление процессами, памятью и межпроцессным взаимодействием
• Все остальные компоненты (драйверы, файловые системы, сетевые стеки) работают в пользовательском пространстве
• Компоненты взаимодействуют через механизм межпроцессного взаимодействия (IPC)
• Примеры ОС с микроядром: QNX, Minix, L4, Fuchsia

Принципы проектирования микроядер

• Минимизация кода, выполняемого в привилегированном режиме
• Вынос максимального количества функциональности в пользовательское пространство
• Четкое определение и реализация механизмов IPC
• Изоляция компонентов для повышения надежности и безопасности
• Модульность и возможность замены компонентов без изменения ядра
• Единообразные интерфейсы взаимодействия между компонентами

Межпроцессное взаимодействие (IPC) в микроядре

• IPC — основной механизм взаимодействия между компонентами
• Сообщения передаются через ядро, которое обеспечивает их доставку
• Типы IPC: сообщения, разделяемая память, удаленный вызов процедур (RPC)
• Ядро обеспечивает безопасность и контроль доступа при передаче сообщений
• Оптимизации IPC: копирование данных между адресными пространствами, кэширование

Процесс обработки запроса в микроядре:

1. Приложение отправляет запрос серверу через IPC
2. Запрос передается ядру, которое перенаправляет его целевому серверу
3. Сервер обрабатывает запрос и формирует ответ
4. Ответ возвращается через ядро обратно приложению
5. Ядро обеспечивает изоляцию и безопасность на всех этапах

Сравнение с монолитной архитектурой

Применение микроядер в современных системах

• Встроенные системы реального времени (автомобили, промышленность)
• Критически важные системы (авионика, медицинское оборудование)
• Безопасные операционные системы
• Распределенные и кластерные системы
• Исследовательские и академические проекты

Известные реализации микроядер:

• QNX - коммерческая ОС реального времени, используемая в automotive, медицине
• Minix - образовательная ОС, послужившая основой для разработки Linux
• L4 - семейство высокопроизводительных микроядер
• Fuchsia - разрабатываемая Google ОС для различных устройств
• Redox - ОС на Rust, написанная с нуля с микроядерной архитектурой

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.

Классическая модель вычислений фон Неймана

• 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.

Принцип хранимой программы

• Программа и данные хранятся вместе в одной памяти, что позволяет компьютеру модифицировать программу в процессе выполнения
• Этот принцип устраняет необходимость физической перекоммутации машины для выполнения разных задач
• Программа становится данными, которые можно обрабатывать другими программами

Последовательное выполнение команд

• Компьютер выполняет команды строго последовательно — от первой к последней
• Порядок выполнения может изменяться командами перехода (условными и безусловными)
• Счетчик команд (Program Counter) хранит адрес следующей выполняемой команды

Архитектура из пяти компонентов

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет арифметические и логические операции
• Устройство управления — координирует работу всех компонентов
• Память — хранит данные и программы
• Устройства ввода — для получения данных извне
• Устройства вывода — для передачи результатов

Адресуемость памяти

• Все ячейки памяти имеют уникальные адреса
• Обращение к памяти происходит по принципу произвольного доступа (RAM)
• Время доступа к любой ячейке памяти одинаково
• Адресное пространство определяет максимальный объем доступной памяти

Двоичное кодирование

• Все данные и команды представляются в двоичной системе счисления
• Единообразие представления позволяет обрабатывать команды как данные
• Двоичная система упрощает аппаратную реализацию электронных схем

Централизованное управление

• Устройство управления является центральным координатором
• Цикл "выборка-декодирование-выполнение" является фундаментальным процессом
• Синхронизация работы всех компонентов через тактовый генератор

Принцип однородности памяти

• Отсутствует принципиальное различие между различными типами памяти
• Программы могут быть перемещены в любую область памяти
• Динамическое распределение памяти между программами и данными

Машинно-ориентированное программирование

• Программы пишутся с учетом конкретной архитектуры
• Набор команд процессора определяет возможности программирования
• Трансляторы преобразуют высокоуровневые языки в машинные команды

Гарвардская архитектура

• Разделение памяти для команд и данных на физическом уровне
• Раздельные шины для передачи команд и данных
• Позволяет одновременно обращаться к памяти команд и памяти данных
• Повышает производительность за счет параллельного доступа
• Широко используется в микроконтроллерах и DSP-процессорах

Гарвардская архитектура: Основной принцип

• Физическое разделение памяти на два независимых модуля: память команд (instruction memory) и память данных (data memory)
• Раздельные системные шины: отдельная шина адреса и шина данных для каждой памяти
• Исключает конфликты при обращении к памяти, так как процессор может одновременно читать команду и читать/записывать данные
• Позволяет оптимизировать каждый тип памяти под конкретную задачу (например, память команд — только для чтения, память данных — для чтения и записи)
• Название архитектуры происходит от Harvard Mark I — компьютера, построенного в Гарварде в 1944 году

Сравнение с архитектурой фон Неймана

• Фон Нейман: Единая память для команд и данных → "Бутылочное горлышко" при одновременном доступе
• Гарвардская: Раздельная память → Параллельный доступ и повышенная пропускная способность
• Фон Нейман: Упрощенная организация памяти и управления
• Гарвардская: Усложненная hardware-реализация из-за дублирования шин и каналов доступа
• Гибридные подходы: Современные процессоры часто используют модифицированную гарвардскую архитектуру (кэш-память L1 разделена, а общая память — единая)

Преимущества Гарвардской архитектуры

• Высокая производительность: Возможность параллельной выборки команды и данных сокращает время выполнения инструкций
• Повышенная предсказуемость: Отсутствие конфликтов доступа к памяти упрощает расчет времени выполнения для систем реального времени (Real-Time Systems)
• Улучшенная безопасность: Разделение памяти затрудняет выполнение вредоносного кода, который пытается манипулировать данными как кодом
• Оптимизация под задачи: Возможность использовать разные технологии памяти (например, Flash для команд и RAM для данных) с разной шириной шины

Области применения и примеры

• Цифровые сигнальные процессоры (DSP): Обработка аудио-, видео- и радиосигналов, где требуется высокая пропускная способность памяти (Texas Instruments, Analog Devices)
• Микроконтроллеры (MCU): Широко используется в микроконтроллерах для встраиваемых систем (например, семейства AVR от Microchip (ранее Atmel), ARM Cortex-M с модифицированной гарвардской архитектурой)
• Кэш-память в современных CPU: Уровень кэша L1 внутри процессоров обычно организован по гарвардскому принципу: отдельный кэш для инструкций (I-cache) и отдельный для данных (D-cache)
• Специализированные ускорители: Обработка изображений, нейросетевые акселераторы

Современные вариации и модификации

• Модифицированная Гарвардская архитектура: Память физически разделена, но процессор может работать с ней как с единым адресным пространством с помощью специальных инструкций
• Гарвардская архитектура с общей кэш-памятью: Раздельные кэши L1 для команд и данных, но общий кэш L2 и общая оперативная память
• Векторные процессоры: Сочетание гарвардских принципов с возможностью параллельной обработки массивов данных
• Система на кристалле (SoC): Интеграция нескольких процессоров с разной архитектурой на одном чипе для разных задач

Архитектура с явным параллелизмом (VLIW)

• Very Long Instruction Word — сверхдлинное командное слово
• Одна инструкция содержит несколько операций для параллельного выполнения
• Задача планирования выполнения ложится на компилятор
• Упрощение аппаратной части процессора
• Использование в медиапроцессорах и специализированных ускорителях

Dataflow архитектура

• Выполнение операций по готовности данных, а не по порядку команд
• Отсутствие счетчика команд и глобальной памяти
• Операции активируются при наличии всех необходимых входных данных
• Естественный параллелизм на уровне данных
• Экспериментальные архитектуры для специализированных вычислений

Нейроморфные вычисления

• Архитектура, имитирующая структуру и принципы работы человеческого мозга
• Массивы простых процессорных элементов (нейронов) и связей между ними (синапсов)
• Высокий параллелизм и энергоэффективность
• Специализация на задачах машинного обучения и распознавания образов
• Процессоры Intel Loihi и IBM TrueNorth как примеры реализации

Квантовые вычисления

• Использование квантовых битов (кубитов) вместо классических битов
• Принципы суперпозиции и квантовой запутанности
• Потенциальное экспоненциальное ускорение для алгоритмов
• Коренное отличие от классических архитектур фон Неймана
• Перспективы в криптографии, оптимизации и моделировании молекул

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.