3. Системообразующие компоненты. Аппаратная архитектура

• Обзор архитектуры Intel, материал из инструкции Intel по процессорам.  

• Инструкция доступна для скачивания, содержит более 3000 страниц.  

• Цель: показать направление развития процессоров Intel и окружение программиста.  

• Практическая часть: написание примитивной программы на ассемблере под Linux.  

• Рекомендация использовать Linux на занятиях.  

• Установка необходимых пакетов для разработки: build-essential и binutils.  

• Два класса процессоров: RISC и CISC.  

• RISC: сокращенный набор инструкций.  

• CISC: комплексный набор инструкций.  

• Пример: процессоры Intel и ARM.  

• Обсуждение изменений в архитектуре процессоров Intel.  

• Важные вехи: разрядность процессоров.  

• Примеры: 8086, 80286, 64-разрядные процессоры.  

• Процессоры общего назначения имеют переменную разрядность.  

• Они не предназначены для обработки сигналов или кодирования.  

• Поддерживают многопоточность и многоядерность.  

• Контекст процессора включает аппаратное окружение и регистры.  

• Регистры — это быстрая память, адресуемая по имени.  

• Регистры общего назначения, такие как A и B, используются для арифметических операций.  

• Команды процессора, такие как MUL и ADD, выполняют арифметические операции.  

• Для сложения двух чисел в процессоре Intel нужно выполнить три команды.  

• Система команд описывает, как выполнять команды, такие как MUL и ADD.  

• В программировании на языке высокого уровня функции объявляются как прототипы.  

• В процессоре команды также имеют аппаратную декларацию.  

• Пример: команда INC увеличивает значение регистра на единицу.  

• Регистры флагов используются для отслеживания побочных эффектов операций.  

• Переполнение регистра обозначается флажком в регистре флагов.  

• Флажки делятся на группы, связанные с арифметическими операциями.  

• Контекст одного потока исполнения включает регистры и значения флагов.  

• При наличии нескольких процессоров или ядер, результаты параллельных операций могут не совпадать.  

• Программисты работают с уровнями, описанными выше, не углубляясь в детали транзисторов.  

• Машинный код - это номер команды, который управляет аппаратным устройством.  

• Аппаратное устройство работает с двоичными сигналами, которые могут быть либо 0, либо 1.  

• Машинный код используется для кодирования операций и операндов.  

• Ассемблер переводит мнемоники в машинный код.  

• Машинный код можно отобразить на мнемоники, что позволяет программировать на понятных языках.  

• Раньше программирование в машинных кодах было необходимо для работы с аппаратными устройствами.  

• Регистры общего назначения включают индексные регистры для работы с указателями.  

• Регистры, связанные с памятью, включают флаги и указатель на выполняемую инструкцию.  

• Контекст потока исполнения включает регистры и указатели для выполнения инструкций.  

• Программы транслируются в машинный код и сохраняются в исполняемых файлах.  

• Для запуска программы требуется системный сервис, который загружает её в память и передает управление.  

• В DOS были два типа бинарных файлов: COM и EXE, которые различались по формату и возможностям.  

• EXE-файлы имеют заголовок и сегменты, содержащие программный код и данные.  

• Данные могут быть инициализированными или неинициализированными.  

• Для загрузки EXE-файла требуется операционная система, которая выделяет память и настраивает указатели.  

• BIOS загружает программу с диска, но не является операционной системой.  

• Бутстрепинг включает несколько стадий, начиная с проверки устройств и заканчивая загрузкой операционной системы.  

• BIOS загружает и передает управление более сложным компонентам.  

• COM-файлы зависят только от процессора и не требуют операционной системы.  

• Эти файлы могут быть перенесены между разными операционными системами без изменений.  

• COM-файлы содержат бинарный код, который процессор интерпретирует как программу.  

• В защищенном режиме нельзя выполнить произвольную программу.  

• В режиме эмуляции можно выполнять программы, как в реальном режиме.  

• Виртуальная машина создает аппаратную эмуляцию для выполнения программ.  

• Процессор работает с памятью, а не с файлами.  

• Память имеет адреса, и процессор загружает бинарный код в память.  

• Инструкции выполняются последовательно, начиная с адреса в памяти.  

• Существуют две основные архитектуры: с единой памятью и с разделенной памятью.  

• В архитектуре с единой памятью можно модифицировать и исполнять данные.  

• В архитектуре с разделенной памятью данные и код хранятся отдельно.  

• RISC имеет ограниченный набор инструкций фиксированного размера.  

• CISC позволяет выполнять сложные инструкции, но требует больше времени на декодирование.  

• RISC заточен на быстрое выполнение простых команд, а CISC позволяет гибко изменять инструкции.  

• Защищенный режим появился с процессоров 286 и 386.  

• Виртуальная память и пейджинг стали возможными с 386.  

• 486 и 586 добавили новые наборы инструкций.  

• Процессоры Pentium и Pentium Pro стали высокопроизводительными.  

• Архитектура P6 включает системную шину и несколько уровней кэша.  

• Процессор выполняет инструкции параллельно, используя конвейер.  

• Декодирование преобразует высокоуровневые инструкции в примитивные узлы.  

• Предсказание определяет, куда пойдет вычислительный процесс.  

• Время выполнения инструкции зависит от условий процессора.  

• Все команды атомарны, даже если занимают несколько тактов.  

• Такт — это щелчок тактового генератора, задающий время.  

• Инструкции могут выполняться параллельно, занимая меньше такта.  

• Каждый процессор или ядро имеет свой кэш.  

• Изменение данных в кэше не видно в памяти до синхронизации.  

• Управление кэшем усложняется с увеличением числа процессоров.  

• NUMA — это неоднородная память, где процессоры имеют разный доступ к памяти.  

• Память может быть организована в разные уровни по скорости доступа.  

• Планировщик помогает эффективно использовать ресурсы процессора.  

• Процессор включает блоки для вычислений с плавающей точкой и потоковых данных.  

• Планировщик перегруппировывает инструкции для оптимального использования модулей.  

• Пакетная обработка данных увеличивает эффективность.  

• Отправка данных побайтно медленнее, чем отправка больших блоков.  

• Эффективность возрастает с уменьшением размера передаваемых данных.  

• Регистры устроены аналогично байтам и словам.  

• Расширение регистров происходит путем приписывания байтов или слов.  

• Логические операции и сдвиги используются для работы с битами.  

• Порядок байтов: младший бит слева.  

• Адресация: адреса увеличиваются слева направо.  

• Указатели бывают простыми и длинными, в зависимости от разрядности системы.  

• Простые указатели равны машинному слову.  

• Длинные указатели требуют специальных регистров для работы.  

• В реальном режиме память организована по сегментам.  

• В защищенном режиме память делится на сегменты и описывается таблицами.  

• Каждая запись в таблице соответствует сегменту и процессу.  

• Указатели используются для указания на места в памяти, обеспечивая защиту.  

• Указатель - это адрес, который может быть простой или сложной структурой.  

• В системе установлено определенное количество микросхем памяти, и физическая память имеет адреса от 0 до N.  

• Процессу или программе предоставляется адресное пространство, которое может не соответствовать реальным микросхемам.  

• В защищенном режиме процессор транслирует адреса, а в реальном режиме адреса соответствуют реальным микросхемам.  

• В защищенном режиме процессор занимается трансляцией адресов через таблицу.  

• Инструкции общего назначения включают сложение, деление, умножение и перемещение данных.  

• Инструкции для работы с плавающими числами FPU появились в процессорах с 386.  

• SIMD инструкции позволяют выполнять одну операцию над множеством данных.  

• Системные инструкции включают переход в защищенный режим, установку точек останова и конфигурирование таблиц.  

• Эти инструкции привилегированные и не могут выполняться в обычных программах.  

• Инструкции VM помогают поддерживать виртуализацию и модификации вызовов.  

• Инструкции для криптографии включают операции с большими числами и поддержку сложных математических операций.  

• Инструкция CALL передает управление по указанному адресу.  

• Инструкция RET восстанавливает порядок исполнения и возвращает управление на следующую инструкцию.  

• Регистр SP указывает на стек, чтобы избежать случайного перезаписывания программы.  

• Стек - это структура данных, которая позволяет добавлять и удалять элементы.  

• Пример использования стека: переход по адресам с помощью кол.  

• Стек удобен для хранения и передачи адресов возврата.  

• Стек реализуется как кусок памяти, на который указывает регистр SP.  

• Операция push перемещает стек на размер указателя, а pop - в обратную сторону.  

• Важно инициализировать регистр SP перед началом выполнения программы.  

• Неправильное использование push может привести к ошибкам, таким как выход за границы памяти.  

• Перед началом выполнения программы необходимо инициализировать стек.  

• Важно правильно определить размер стека и инициализировать SP.  

• При вызове функции сохраняются IP и ESP, а также параметры в стеке.  

• Параметры делятся на две части: адрес и значение.  

• Пример: вызов функции puts с передачей адреса строки.  

• Функция puts вычисляет номера своих параметров, основываясь на SP.  

• Параметры функции хранятся в стеке в определенном порядке.  

• Это позволяет функции получать и обрабатывать параметры.