Краткая историческая справка.

История развития вычислительных машин и систем берет начало от концепции вычислительной машины фон Неймана. В качестве основных устройств универсальных ЭВМ были выделены: арифметико-логическое устройство (АЛУ), память для данных и команд, устройство управления (УУ) и устройство ввода-вывода (УВВ) (рис. 1.1).

В таких ЭВМ, ввод-вывод информации осуществляется через АЛУ, поэтому во время ввода/вывода вычисления прекращались. В целях повышения производительности ЭВМ было осуществлено совмещение по времени процессов ввода-вывода и вычислений путем организации непосредственного обмена с памятью при вводе-выводе, минуя АЛУ - в состав машины был включен независимый канал ввода-вывода, представляющий собой небольшую специализированную ЭВМ (рис. 1.2).

Канал ввода-вывода работает параллельно с АЛУ и обеспечивает независимый доступ к памяти и автономное управление операциями ввода-вывода. Программа канала размещается в оперативной памяти (ОП), поэтому при его работе осуществляется занятие циклов памяти для выборки команд канала. Это приводит на время обмена к некоторому уменьшению производительности ЭВМ. Таким образом, процесс вычислений и один или несколько процессов ввода-вывода могут выполняться параллельно.

Другим направлением распараллеливания процессов является совмещение во времени этапов выполнения соседних операций в центральной части ЭВМ. Стали применять опережающий просмотр нескольких команд и данных с соответствующей выборкой из памяти и предварительной подготовкой к выполнению операций. Была организована асинхронная работа устройств машины, что потребовала ввести в их состав местные УУ, и позволило иметь в фазе выполнения сразу несколько команд. При такой организации в данный момент времени первая из группы совместно выполняющих команд проходит последний этап выполнения и занимает одно из устройств машины, следующая за ней команда проходит предпоследний этап и занимает другое устройство и т.д. К очередному интервалу времени первая команда оказывается выполненной, а остальные команды переходят к очередным этапам выполнения и занимают соответствующие этим этапам устройства. В фазу выполнения вводится новая команда, которая занимает устройство для выполнения первого этапа операции, освободившееся после выполнения первого этапа последней из команд и т.д. Однако вследствие различного количества и неидентичности этапов выполнения различных операций, а также вследствие прерываний линейных участков программы ветвлениями, устройства машины работают все же с перерывами.

В целях согласования скоростей работы АЛУ и памяти были совмещены во времени обращения к памяти. ОП разделяется на секции с раздельным обращением к ним. Количество секций либо равно степени 2, либо каждая секция снабжается собственными адресным и числовым регистрами. Вводится чередование адресов. Если память разбита на n=2^m секций, то ячейки с адресами 0, 1, … , n-1 реализуются как первые ячейки в любой из n последовательно расположенных секций, ячейки с адресами n, n+1, … , 2n-1, как вторые ячейки в этих секциях и т.д. В адресном поле команды номер секции кодируется старшими разрядами, а номер внутри секции – младшими. При такой организации обращения к ячейкам памяти с последовательно увеличивающимися адресами (что типично на практике) осуществляется последовательно к каждой секции. В наиболее благоприятном случае цикл работы памяти сокращается в n раз по сравнению с циклом работы ее отдельной секции.

Более сложные способы реализации совмещения обращений состоят в построении многовходовой памяти, которая допускает обращение к ней со стороны нескольких устройств и разрешает возникающие при этом конфликты одновременного обращения. Кроме того, в этом случае совмещаются фазы выполнения арифметико-логического действий и обращений к ОП, вызов команд и операндов, обращения к сверхоперативным запоминающим устройствам (СОЗУ) и т.п.

Стремление повысить эффективность использования вычислительного оборудования привело к разработке мультипрограммных машин и систем, которые могут одновременно выполнять несколько программ или несколько частей одной программы. Под одновременным выполнением понимается, что процессор после выполнения части одной программы может перейти к выполнению другой программы и, не закончив ее, может перейти к третьей и т.д., сохраняя при этом возможность вернуться к неоконченным программам. Мультипрограммный режим реализуется и по отношению к частям одной программы, что приводит к сокращению времени ее выполнения, по сравнению с однопрограммным режимом.

Системами с квантованным обслуживанием называются системы с разделением времени.

Здесь каждой задаче выделяется квант времени. Если в течение выделенного кванта ее обработка не заканчивается, программа прерывается и становится в очередь программ, ожидающих обработки. Порядок распределения между задачами времени процессора может быть разным. Поскольку нельзя допустить монополизацию времени процессора какой-либо задачей, то кажется естественной дисциплина, при котором всем программам выделяется один и тот же квант по возможности меньший, чтобы промежутки между интервалами активности программ были минимальными. Однако уменьшение кванта ведет к снижению эффективности системы, т.к. переключение программ из пассивной фазы в активную сопровождается служебными операциями, доля которых, в общем, времени возрастает. Значение кванта времени выбирается в результате разумного компромисса, с тем, чтобы и время ожидания ответа, и потеря производительности от переключения активности программ были приемлемыми.

Используются несколько дисциплин обслуживания. Их можно разбить на две группы: одноочередные и многоочередные (многоуровневые).

В одноочередном имеется одна очередь. Вновь поступающие запросы ставятся в конец очереди. Запросам предоставляется квант времени ∆, недообслужанные запросы поступают в конец очереди.

В многоочередных приоритет очереди убывает с увеличение ее номера m. Вновь поступающий запрос ставится в конец очереди со старшим приоритетом (m=0).

Обслуживается запрос из очереди номером m, если очереди с меньшим номером (более высокий приоритет) пусты. Если за время кванта запрос недообслужен, то он ставится в конец очереди m+1. Программы из последней очереди обслуживаются без прерывания до конца. Обычно квант возрастает с увеличением номера очереди по правилу:

– квант времени, выделяемый запросу в m-й очереди, ∆ - запросу в нулевой очереди. Если во время обслуживания программы с приоритетом m в очереди появляется новая программа с большим приоритетом, то после окончания текущего кванта ∆ выполняется прерывание и возвращение программы в начало своей очереди, с тем чтобы потом дополучить недоданное по отношению к время. Чтобы избежать недопустимо долгого ожидания для больших программ, приоритет делается зависящим от времени ожидания. Если ожидание превышает некоторое значение, то программа переходит в следующую очередь с меньшим номером. Таким образом, установка приоритетов происходит динамически. Программы с большой длительностью вытесняются в очередь с большими номерами (адаптивные свойства). Чтобы сделать этот процесс более эффективным важно запросы сразу распределить по очередям. Можно считать, что выполнение программы пропорционально ее длине (числу байт). Программа сразу поступает в очередь с номером:

– число байт в программе,

- число байт, которые могут быть переданы из ОП во внешнюю память или обратно за время ∆ (алгоритм Ф. Корбато)