Основные характеристики ЭВМ 8 страница

При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной организации) применяют эмуляторы, т.е. программные преобразователи функциональных элементов.

Состав функциональных блоков и структурных средств неоднороден. Поэтому в большинстве случаев функциональная и структурная организация будут рассматриваться в тех разделах, которые посвящены соответствующим аппаратурной части (hardware) или программному обеспечению (Software).

4.2. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой

ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение.

Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорным комплектом.

В состав микропроцессорных комплектов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессоры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода и др.

Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные. Центральные устройства полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением.

В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль (СМ). Она состоит из четырех узлов, называемых шинами:

Ø шина данных (ШД),

Ø шина адреса (ША),

Ø шина управления (ШУ),

Ø шина питания (ШП).

В состав системной магистрали входят регистры-защелки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к системной магистрали, и другие устройства.

Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

В состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллер прерываний, таймер и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП).

Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др.

Рассмотрим работу микропроцессора в одном цикле (см. рисунок 4.1). Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается в основную память (ОП). Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд.

Здесь будет рисунок

Рисунок 4.1 – Организация 1 цикла работы МП и ОП

Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд (в котором всегда хранится адрес очередной команды) выставляется на ША системной магистрали. Одновременно на ШУ выдается команда «выборка из ОП», которая воспринимается основной памятью. Получив с ШУ системной магистрали команду, ОП считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на ШД, а на ШУ выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по ШУ сигнал об окончании работы ОП, вводит число с ШД на внутреннюю магистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в регистр команд.

В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции, и для определения адреса следующей команды (который сразу заносится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на ША системной магистрали и сопровождается сигналом«выборка из ОП» на ШУ. Выбранная из ОП информация через шину данных поступает на внутреннюю магистраль МП, с которой вводится в арифметическое устройство (АУ). На этом заканчивается подготовка МП к выполнению операции, и начинается ее выполнение в АЛУ.

Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на ШД, на ША выставляется адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать, а на ШУ выставляется команда «запись в ОП». Получив с ШУ команду, ОП считывает адрес и данные с системной магистрали, организует запись данных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на ШУ сигнал, обозначающий, что число записано. Процессор, получив этот сигнал, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду«выборка из ОП» на ШУ и т.д.

В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполняться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу. Если же команда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, центральный процессор (ЦП) передает ее соответствующему устройству. Процесс передачи команды другому устройству предусматривает следующие действия: ЦП выставляет на ША системной магистрали адрес интересующего его устройства. По ШУ передается сигнал «поиск устройства». Все устройства, подключенные к системной магистрали, получив этот сигнал, читают номер устройства с ША и сравнивают его со своим номером. Устройства, для которых эти номера не совпадают, на эту команду не реагируют. Устройство с совпавшим номером вырабатывает сигнал отклика по ШУ. ЦП, получив сигнал отклика, в простейшем случае выставляет имеющуюся у него команду на ШД и сопровождает ее по шине управления сигналом«передаю команду». Получив сигнал о приеме команды, ЦП переходит к выполнению очередной своей команды, выставляя на ША содержимое счетчика команд.

В более сложных случаях, получив сигнал, что устройство откликнулось, прежде чем передавать команду, ЦП запрашивает устройство о его состоянии. Текущее состояние устройства закодировано в байте состояния, который откликнувшееся устройство передает процессору через ШД системной магистрали. Если устройство включено и готово к работе, то байт состояния – нулевой. Наличие в нем единиц свидетельствует о нештатной ситуации, которую ЦП пытается проанализировать и в необходимых случаях извещает оператора о сложившейся ситуации.

Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением его технического состояния, обменом командами и информацией. Эта логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получила название интерфейс ввода-вывода.

Для различных устройств могут использоваться разные логические последовательности действий, поэтому интерфейсов ввода-вывода может в одной и той же ЭВМ использоваться несколько. Если их удается свести к одному, универсальному, то такой интерфейс называется стандартным.

В IBM PC есть два стандартных интерфейса для связи ЦП с внешними устройствами:

Ø параллельный (типа Centronics)

Ø последовательный (типа RS-232).

Интерфейсы постоянно совершенствуются, поэтому с появлением новых ЭВМ, новых внешних устройств и даже нового программного обеспечения появляются и новые интерфейсы. Так, в программном обеспечении, разработанном ведущими фирмами, все шире используется новый интерфейс «Plug and Play» (Включи и играй), который предназначен для облегчения системной настройки ЭВМ при подключении новых устройств, к машине. Этот интерфейс позволяет подключить с помощью кабеля новое устройство, а после включения ЭВМ ее программное обеспечение автоматически определяет состав подключенных устройств, их типы в настраивает машину на работу с ними без вмешательства системного оператора.

Если при обращении ЦП к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы центральным процессором возможно только после завершения операции ввода-вывода, то ЦП, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания и находится в нем до тех пор, пока внешнее устройство не сообщит ему об окончании обмена данными. Это приводит к простою большинства устройств ЭВМ, так как в каждый момент времени может работать только одно из них. Такой режим работы получил название однопрограммного - в каждый момент времени все устройства находятся в состоянии ожидания, и только одно устройство выполняет основную (и единственную) программу.

Для ликвидации таких простоев и повышения эффективности работы оборудования внешние устройства сделаны автономными. Получив от ЦП необходимую информацию, они самостоятельно организуют свою работу по обмену данными. Процессор же, запустив внешнее устройство, пытается продолжить выполнение программы. При необходимости (если встретятся соответствующие команды) он может запустить в работу несколько других устройств (так как внешние устройства работают значительно медленнее процессора). Если же ему приходится переходить в режим ожидания, то, пользуясь тем, что в ОП может одновременно находиться не одна, а несколько программ, ЦП переходит к выполнению очередной программы. При этом создается ситуация, когда в один и тот же момент времени различные устройства ЭВМ выполняют либо разные программы, либо разные части одной и той же программы, такой режим работы ЭВМ называется многопрограммным.

4.3. Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

Организация процессов ввода, преобразования и отображения результатов относится к сфере системного программного обеспечения. Это сложные процессы„ которые чаще всего делаются «прозрачными», т.е. незаметными для пользователя. Один из них – реализация задания пользователя: профессиональный пользователь (программист) пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанное задание (программа) представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими операционной системе ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Если программа пишется на алгоритмическом языке, то управляющие предложения - на языке управления операционной системой.

Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой – транслятором (рисунок 4.2). Трансляторы выполняются в виде двух разновидностей: интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет полученную машинную программу. Компилятор же сначала полностью переводит всю программу, представленную ему в виде исходного модуля (ИМ), на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объектный модуль (ОМ). Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработки, поскольку полученная машинная программа не готова к исполнению по двум причинам:

ª Во-первых, она содержит неразрешенные внешние ссылки (т.е. обращение к программам, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы, например, к стандартным программам алгоритмического языка, таким, как извлечение корня квадратного, вычисление тригонометрических функций и т.д.).

ª Во-вторых, объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах - каждый объектный модуль начинается с адреса Oh, тогда как для исполнения программа должна быть “привязана” к конкретным физическим адресам основной памяти.

Рисунок 4.2– Обработка заданий операционной системой

Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора (которые могут быть написаны в виде исходных либо в виде объектных модулей) и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ), который помещается в соответствующую библиотеку загрузочных модулей (БЗМ). В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. он содержит все необходимые стандартные программы, но привязки к памяти у загрузочного модуля нет.

Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит загрузочный модуль из библиотеки загрузочных модулей (обычно хранящейся на магнитном носителе) в основную память и во время этого переноса корректирует адреса, учитывая, с какого адреса основной памяти размещается загрузочный модуль. После перемещения загрузочного модуля в основную память программа выборки инициирует ее выполнение.

Представление машинной программы в виде исходных, объектных и загрузочных модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы. Например, если по одной и той же программе необходимо много раз производить расчеты, то неэффективно тратить каждый раз время на трансляцию и редактирование программы - ее нужно оформить в виде загрузочного модуля и хранить в соответствующей библиотеке. При обращении к такой программе сразу будет вызываться программа выборки для загрузки соответствующего модуля (а этапы компиляции и редактирования связей будут опускаться) - время на выполнение программы существенно сократится.

Если же программа только отлаживается или после каждого просчета ее нужно будет модернизировать, то получение загрузочного модуля и обращение к программе выборки будут лишними операциями. Для их обхода вместо редактора связей может быть применен загрузчик - программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для исполнения. Но при использовании загрузчика многократные просчеты по программе проводить невыгодно, так как каждый раз приходится выполнять лишние операции редактирования связей.

4.4.1. Отображение адресного пространства программы на основную память

Алгоритмы распределения, использования, освобождения ресурсов и предоставления к ним доступа предназначены для наиболее эффективной организации работы всего комплекса устройств ЭВМ. Рассмотрим их на примере управления основной памятью.

Для выполнения программы при ее загрузке в основную память ей выделяется часть машинных ресурсов - они необходимы для размещения команд, данных, управляющих таблиц и областей ввода-вывода, т.е. производится трансляция адресного пространства откомпилированной программы в местоположение в реальной памяти.

Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом (особенно если он работает на языке, близком к машинному), но может производиться и операционной системой.

Если выделение ресурсов производится перед выполнением программы, такой процесс называется статическим перемещением, в результате которого программа “привязывается” к определенному месту в памяти вычислительной машины. Если же ресурсы выделяются в процессе выполнения программы, это называется динамическим перемещением, в этом случае программа не привязана к определенному месту в реальной памяти. Динамический режим можно реализовать только с помощью операционной системы.

При статическом перемещении может встретиться два случая:

1. Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с 0-го адреса (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Загрузка программы в реальную память (объем реальной памяти больше адресного пространства программы)

Загружаемая программа А является абсолютной программой, так как никакого изменения адресов в адресном пространстве, подготовленном компилятором, при загрузке в основную память не происходит - программа располагается с 0-го адреса реальной памяти.

2. Реальная память меньше требуемого адресного пространства программы (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 – Загрузка программы в реальную память
(объем реальной памяти меньше адресного пространства программы)

В этом случае программист (или операционная система) вынужден решать проблему, как организовать выполнение программы. Методов решения проблемы существует несколько: можно создать оверлейную структуру (т.е. разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости), сделать модули программы реентерабельными (т.е. допускающими одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы или из различных программ) и т.д.

Рисунок 4.5 – Фрагментация реальной памяти

В некоторых операционных системах адреса откомпилированной (с 0 адреса) программы могут быть преобразованы в адреса реальной памяти, отличные от 0. При этом создается абсолютный модуль, который требует размещения его в памяти всегда с одного и того же адреса.

При мультипрограммном режиме, если имеем программы А, В и С, для которых известно, что программа А выполняется при размещении в памяти с адреса 60 Кбайт до 90 Кбайт, В - с 60 Кбайт до 90 Кбайт, С - с 50 Кбайт до 120 Кбайт, организовать их совместное выполнение невозможно, так как им необходим один и тот же участок реальной памяти. Эти программы будут ждать друг друга либо их нужно заново редактировать с другого адреса.

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться ситуация, когда между программами образуются незанятые участки памяти. На рисунке 4.5 общий объем незанятой памяти, составляющий 50 Кбайт, достаточен, чтобы загрузить и программу D, находящуюся в ожидании. Но ее не удается загрузить, так как свободные участки памяти не являются смежными. Такое состояние называется фрагментацией реальной памяти. Оно характерно для систем со статическим перемещением.

Рисунок 4.6 – Размещение программы в свободной части ОП

В системах с динамическим перемещением программ перемещающий загрузчик размещает программу в свободной части памяти (рисунок 4.6) и допускает использование несмежных ее участков.

В этом случае имеется больше возможностей для организации мультипрограммной работы, а, следовательно, и для более эффективного использования временных ресурсов ЭВМ.

4.4.2. Адресная структура команд микропроцессора и планирование ресурсов

При больших размерах реализуемых программ возникают некоторые противоречия при организации мультипрограммного режима работы, трудности динамического распределения ресурсов.

В настоящее время разработано несколько способов решения этих противоречий. Например, для борьбы с фрагментацией основной памяти адресное пространство программы может быть разбито на отдельные сегменты, слабо связанные между собой. Тогда (рисунок 4.7) программа D общей длиной 50 Кбайт может быть представлена в виде ряда сегментов, загружаемых в различные области ОП. Это позволяет использовать реальную память, теряемую из-за фрагментации.

Рисунок 4.7 – Фрагментация ОП. Загрузка сегментированной программы

Адреса в каждом сегменте начинаются с 0. При статическом перемещении программы в процессе загрузки ее в основную память адреса должны быть привязаны к конкретному месту в памяти, на что уходит много времени, отвлекаются вычислительные ресурсы. Более эффективной является динамическая трансляция адресов (ДТА), которая заключается в том, что сегменты загружаются в основную память без трансляции адресного пространства (т.е. без изменения адресов в программе с учетом физического размещения в памяти команд и данных), а трансляция адресов каждой команды производится в процессе ее выполнения. Этот тип трансляции называется динамическим перемещением и осуществляется специальными аппаратурными средствами ДТА.

Каждый сегмент программы должен иметь свое имя. Форма имени сегмента может быть любой, например номер (рисунок 4.8 а, б).

При таком представлении адрес будет состоять из двух частей:

s - имя сегмента,

i - адрес внутри сегмента.

Если ЭВМ имеет 32-битовую адресную структуру, максимальная длина адреса в единственном сегменте будет длиной 32 разряда. Если 16 разрядов из 32 отвести под номер сегмента (а 16 - под смещение), то в этом случае все адресное пространство программы может состоять из 2¹⁶= 64 Кбайта сегментов. Сегмент может содержать 2¹⁶= 64 Кбайта (т.е. иметь адреса от 0 до 65535). При другой структуре адреса изменяются количество сегментов и их длина.

Рисунок 4.8 – Форма имени сегмента:
а - при выделении 8 разрядов; б - при выделении 16 разрядов

Структура адресов накладывает два важных ограничения:

· ограничивается максимальное число сегментов, которое может существовать в адресном пространстве программы;

· ограничивается максимальное смещение любого адреса в сегменте. При загрузке в основную память сегментированной программы каждый сегмент перемещается в реальную память отдельно, причем участки основной памяти могут быть или не быть смежными. Трансляция адресов не происходит - сегменты по-прежнему содержат свои относительные адреса.

Для динамической трансляции адресов (т.е. при определении абсолютных адресов по известным относительным, содержащим номер сегмента и смещение) операционная система строит специальные таблицы, устанавливающие соответствие между сегментируемым адресным пространством программы и действительными адресами сегментов в реальной памяти (рисунок 4.9).

Процессор может обращаться к основной памяти, используя только абсолютные адреса. Каждая строка таблицы сегментов содержит адрес начала сегмента в реальной памяти. Для каждого сегмента имеется одна строка таблицы. Таблицу сегментов содержит каждая выполняемая программа.

В дополнение к таблице сегментов для динамической трансляции адреса используется специальный управляющий регистр, называемый регистром начала таблицы сегментов (РНТС или STOR (segment table origin register)). В этот регистр занесен адрес таблицы сегментов выполняемой в данный момент программы.

На рисунке 4.10 изображено выполнение программы D. В РНТС находится адрес таблицы сегментов этой программы. Если программа В прервет выполнение программы D, то в РНТС будет занесен начальный адрес таблицы сегментов программы В.

Рисунок 4.9 – Динамическая трансляция адресов при сегментной организации программы

Допустим, для выполняемой программы D начальный адрес таблицы сегментов 68000. В реальной вычислительной машине все действия выполняются в шестнадцатеричной системе счисления, мы же проведем вычисления для простоты в десятичной системе счисления.

Рисунок 4.10 – Технология динамической трансляции адресов

Для обращения к адресу 15000 сегмента 1 производятся следующие действия:

· РНТС указывает на начало таблицы сегментов программы D - 68000;

· номер сегмента в относительном адресе используется как индекс при обращении к таблице сегментов. В данном примере обращение производится к 1-й строке;

· адрес, хранимый в выбранной строке таблицы сегментов, есть адрес начала сегмента в реальной памяти. Смещение в относительном адресе добавляется к начальному адресу, и результат является адресом в реальной памяти: 15000+75000=90000. Для относительного адреса (сегмент 3, смещение 13000) будет получен абсолютный адрес 218000.

При ДТА такое определение адресов ведется в процессе выполнения каждой команды. Если операционной системе понадобится переместить исполняемую программу в другую часть памяти (например, чтобы исключить фрагментацию), сначала надо будет переслать команды и данные сегмента. Затем строку таблицы сегментов для данного сегмента нужно изменить так, чтобы она содержала новый адрес, и выполнение программы может быть продолжено. Это дает возможность динамического управления реальной памятью в процессе выполнения программы.

Использованием сегментации программ достигается уменьшение фрагментации основной памяти, но полностью фрагментация не устраняется – остаются фрагменты, длина которых меньше длины сегмента программы.

Если сегменты разделить на одну или несколько единиц, называемых страницами, которые имеют фиксированный размер, то поскольку размер страницы достаточно мал по сравнению с обычным размером сегментов, неиспользуемые фрагменты ОП значительно сокращаются в объеме - будет иметь место так называемая фрагментация внутри страниц. Следовательно, потери все-таки останутся, но они будут существенно меньше.

Сегментно-страничная организация добавляет еще один уровень в структуре адресного пространства программы. Теперь адресное пространство программы дробится на сегменты, внутри сегментов - на страницы и адреса внутри страниц. Структура адреса: (s, p, i) – рисунок 4.11, где s - имя сегмента адресного пространства программы; p - имя страницы; i - адрес внутри страницы.

Рисунок 4.11 – Адресная структура при сегментно-страничной
организации памяти внутри

Формирование сегментно-страничной структуры выполняется автоматически с помощью операционной системы. Для динамической трансляции адресов каждому сегменту необходимы одна таблица сегментов и несколько таблиц страниц (рисунок 4.12).

ДTА будет выполняться следующим образом:

· регистр начала таблицы сегментов содержит начальный адрес таблицы сегментов выполняемой программы 28000;

· номер сегмента в относительном адресе используется как индекс для обращения к записи таблиц сегментов. Эта запись идентифицирует начало таблицы страницы (реальный адрес) 30000;

· номер страницы в относительном адресе используется как индекс для обраще0ния к записи таблицы страниц. Эта запись идентифицирует начало страничного блока, содержащего эту страницу - 128000;

· смещение в относительном адресе и местоположение страничного блока объединяются вместе, формируя абсолютный адрес 129564. В реальной системе адрес страничного блока и смещение связываются, т.е. соединяются вместе для образования абсолютного адреса. Все преимущества динамического перемещения с использованием сегментации и страничной организации достигаются благодаря аппаратуре и программному обеспечению, а не пользователям системы. Специальные программы во время загрузки разбивают адресное пространство программы на сегменты и страницы, строят таблицы сегментов и страниц. Средства ДТА автоматически транслируют адрес в процессе выполнения программы.

4.4.3. Виртуальная память

Имея иерархическую структуру запоминающих устройств, на реальном объеме памяти, значительно меньшем максимального, можно имитировать работу с максимальной памятью. В этом случае программист работает так, как будто ему предоставлена реальная память максимально допустимого для данной ЭВМ объема, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объему. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти.

Теоретически доступная пользователю ОП, объем которой определяется только разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности, называется виртуальной памятью.

Виртуальная память имеет сегментно-страничную организацию и реализована в иерархической системе памяти ЭВМ. Часть ее размещается в страничных блоках основной памяти, а часть - в ячейках внешней страничной памяти (slot). Внешняя страничная память является частью внешней памяти.

Ячейка (слот) - это записываемая область во внешней страничной памяти (например, на жестком магнитном диске). Она того же размера, что и страница.

Вычислительная система с 24-разрядным адресом может иметь адресное пространство в 16 777 2¹⁶ байт (16 Мбайт), с 32-разрядным адресом - 4 Гбайт. Структура такой памяти показана на рисунке 4.13.

Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти. Виртуальная же память существует только как продукт деятельности операционной системы (функционирующей на основе совместного использования внешней и страничной памяти).

Рисунок 4.12 – Структурная схема формирования абсолютного адреса при сегментно-страничной организации ОП

Рисунок 4.13 – Структура виртуальной памяти

Загрузить программу в виртуальную память - значит переписать несколько программных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы А система обнаружит, что требуемой страницы нет в реальной памяти, она должна переслать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память. Этот механизм называется принудительным страничным обменом.