26. Що таке реальний режим, захищений режим і віртуальний режим центрального процесора? Які функції блока керування пам’яттю процесора?Що таке переривання?

Первый процессор в IBM-совместимых компьютерах Intel 8086 мог адресовать до 1 Мбайта памяти (из-за 20 разрядной адресной шины). Во всех последующих моделях процессоров для обеспечения преемственности работы операционной системы MS DOS и прикладных программ был реализован так называемый реальный режим (real mode), эмулирующий (имитирующий) работу процессора Intel 8086 и соответственно доступ только к первому мегабайту оперативной памяти. Другой режим, в котором можно обращаться не только к полному объему оперативной памяти, но и к виртуальной памяти, был назван защищенным режимом (protected mode). В дальнейшем защищенный режим был дополнен виртуальным режимом, который эмулировал работу нескольких (до 256) процессоров Intel 8086 и позволил обеспечивать аппаратно многопрограммные и многопользовательские операционные системы Windows и Unix.

Операции разбивки доступного объема оперативной памяти на относительно небольшие фрагменты – сегменты, а также управление загрузкой и перемещением сегментов в оперативной и виртуальной памяти для защищенного и виртуального режима обеспечивает блок управления памятью процессора. Этот же блок обеспечивает четыре уровня (кольца) защиты для разграничения доступа к ресурсам компьютера операционной системы и прикладных программ.

По назначению и способу использования регистры процессора подразделяются на:

7. Регистры данных, предназначенные для временного хранения значений переменных и результатов различных операций над ними.

8. Регистры указателей и индексов, используемые при работе с адресами операндов команд, в частности, при доступе к элементам массивов.

9. Сегментные регистры, содержащие адреса сегментов команд и данных

10. Указатель команд, в котором хранится адрес следующей выполняемой команды.

11. Регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение и меняется в зависимости от результатов выполнения текущей команды, например при переполнении, или получении отрицательного числа.

Программист может использовать регистры данных и индексные регистры по своему усмотрению, за исключением тех случаев, когда эти регистры используются командами процессора.

Для повышения производительности в состав процессора введена также своя, внутренняя, кэш-память, названная кэш-памятью первого уровня (L1). Фактически эта кэш-память состоит из двух блоков – кэш памяти данных и кэш-памяти команд, каждый из которых имеет объем несколько десятков килобайт. Ее назначение – согласование скорости работы процессора и кэш-памяти, размещаемой на плате процессора и/или на материнской плате.

Блок сопряжения с системной шиной обеспечивает обмен данными, адресами и командами между процессором и системной шиной.

Когда при выполнении программы в центральном процессоре или на внешних устройствах выполняются операции, требующие вмешательства операционной системы, в частности операции ввода/вывода в центральный процессор поступает специальный сигнал, называемый прерыванием. Блок обработки прерываний процессора прекращает выполнение команд текущей программы, и передает управление операционной системе, которая вызывает процедуру, обрабатывающую данное прерывание.

В последнее время получают распространение многопроцессорные системы, т.е. системы, в которых установлено несколько процессоров.

Для функционирования многопроцессорной системы необходимо выполнение следующих условий:

• материнская плата должна поддерживать несколько процессоров, т. е. иметь дополнительные разъемы для установки процессоров и соответст­вующий chipset;

• процессор должен поддерживать работу в многопроцессорной системе;

• операционная система должна поддерживать работу с несколькими процессорами (такими операционными системами являются Windows NT и Unix).

В процессе одновременной работы нескольких процессоров операционная система распределяет различные задачи между процессорами. Существуют два режима работы многопроцессорных систем – асимметричный и симмет­ричный.

В режиме асимметричной обработки один процессор выполняет только за­дачи операционной системы, а другой – прикладные программы.

В режиме симметричной обработки – SMP (Symmetric Multi-Processing) задачи операционной системы и пользовательские приложения могут выполняться любым процессором в зависимости от его загрузки. Этот режим является более производительным и поэтому он используется в большинстве многопроцессорных систем.