Электронные вычислительные машины и системы

Рис. 11.5 Структура кэш-памяти с полностью ассоциативным распределением

При полностью ассоциативном распределении механизм преобразования адресов должен давать ответ на вопрос, существует ли копия строки с произвольным адресом в кэш-памяти, и, если существует, то по какому адресу. Для этого необходимо, чтобы теговая память являлась ассоциативной памятью. Входной информацией для ассоциативной памяти тегов является тег А (14-ти разрядный адрес строки), а выходной информацией - адрес строки внутри кэш-памяти (С). Каждое слово теговой памяти состоит из 14-разрядного тега и 7-разрядного адреса С строки внутри кэш-памяти. Ключом для поиска адреса строки внутри кэш-памяти является тег А (старшие 14 разрядов адреса основной памяти). При совпадении ключа А с одним из тегов Т теговой памяти (случай попадания) происходит выборка соответствующих данному тегу адреса С и обращение к памяти данных. Входной информацией для памяти данных является 11-ти разрядное слово ВС (7 бит адреса строки В + 4 бита адреса слова в данной строке С). В случае несовпадения ключа ни с одним из тегов теговой памяти (случай промаха) формируется запрос к основной памяти на выборку строки с соответствующим адресом и считывание этой строки. По этому способу при замене строк кандидатом на удаление могут быть все строки в кэш-памяти.

Частично ассоциативное распределение

При данном способе размещения, несколько соседних строк (фиксированное число, не менее двух) из 128 строк кэш-памяти образуют структуру называемую группой. Структура кэш-памяти, основанная на использовании частично ассоциативного распределения, показана на рис. 11.6. В данном случае в одну группу Е входят 4 строки А, В, С, D.

Адрес строки НЕ основной памяти (14 бит) разделяется на две части: Н-тег (старшие 9 бит) и Е - адрес группы (младшие 5 бит). Адрес строки внутри кэш-памяти, состоящий из 7 бит, разделяется на адрес группы Е (5 бит) и адрес строки внутри группы (2 бит: 00,01,10,11).

Для помещения в кэш-память строки, хранимой в ОП по адресу НЕF, необходимо выбрать группу с адресом Е. При этом не имеет значения, какая из четырех строк в группе может быть выбрана. Для выбора группы используется метод прямого распределения, а для выбора строки в группе используется метод полностью ассоциативного распределения.

Рис. 11.6 Структура кэш-памяти, основанная на использовании частично ассоциативного распределения

Когда центральный процессор запрашивает доступ по адресу НЕF, то осуществляется обращение к массиву тегов по адресу Е, выбирается группа из четырёх тегов (а, b, с, d), каждый из которых сравнивается со старшими 9 битами (Н) адреса строки. На выходе четырех схем сравнения формируется унитарный код совпадения (Н = А - код: 1000, Н = В - код: 0100, Н = С - код: 0010, Н = D - код: 0001), который на шифраторе преобразуется в двухразрядный позиционный код, служащий адресом для выбора банка данных (00,01,10,11) - адрес строки внутри группы.

Одновременно осуществляется обращение к массиву данных (банкам V₁, V₂, V₃, V₄,) по адресу ЕF (9 бит) и считывание из банка V₂ требуемой строки или слова.

При пересылке новой строки в кэш-память удаляемая из нее строка выбирается из четырех строк соответствующего набора (группы).

Распределение секторов

По этому способу основная память разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа строк, кэш-память также разбивается на секторы, состоящие из такого же числа строк. Допустим, в секторе 16 строк, а в строке - 16 слов. Структура кэш-памяти с распределением секторов представлена на рис. 11.7.

В адресе основной памяти 10 старших бит задают адрес сектора А, следующие 4 бита - адрес строки В в секторе и младшие 4 бита - адрес слова С в строке.

При данной организации кэш-памяти, распределение секторов в кэш-памяти и основной памяти осуществлено полностью ассоциативно, то есть, каждый сектор А основной памяти может соответствовать любому сектору D в кэш-памяти. К каждой строке V, хранящейся в кэш-памяти, добавляется один бит достоверности (действительности); он показывает, совпадает или нет содержимое этой строки с содержимым строки в основной памяти, которая в данный момент анализируется на соответствие строки кэш-памяти. Если слова, запрашиваемого центральным процессором при доступе, не существует в кэш-памяти (бит достоверности, выбранный по адресу ВD равен 0), то сначала центральный процессор проверяет, был ли сектор А, содержащий это слово, помещен ранее в кэш-память. Если он отсутствует, то один из секторов кэш-памяти заменяется на этот сектор.

Если все сектора кэш-памяти используются, то выбирается один какой-нибудь сектор, и при необходимости только некоторые строки этого сектора возвращаются в основную память, а этот сектор можно использовать дальше.

Когда осуществляется доступ к сектору А в кэш-памяти и строка В, содержащая нужное слово С, пересылается из основной памяти, то бит достоверности устанавливается до пересылки строки. Все биты достоверности других строк этого сектора сбрасываются.

Рис. 11.7 Структура кэш-памяти с распределением секторов

Если сектор А, содержащий слово В доступ к которому запрашивается, уже находится в кэш-памяти, то, в том случае когда бит достоверности строки, содержащей это слово, равен 0, этот бит устанавливается и строка пересылается из основной памяти в данную область кэш-памяти. В том случае, когда бит достоверности уже равен 1, нужное слово можно считать из кэш-памяти.

Методы обновления строк в основной памяти

В таблице 11.1. приведены условия сохранения и обновления информации в ячейках кэш-памяти и основной памяти.

Если процессору требуется информация из некоторой ячейки основной памяти, а копия этой ячейки уже есть в кэш-памяти, то вместо оригинала считывается копия. В этом случае информация ни в кэш-памяти, ни в основной памяти не изменяется.

Таблица 11.1

Условия сохранения и обновления информации

При записи строк существует несколько методов обновления старой информации. Эти методы называются стратегией обновления строк основной памяти. Если результат обновления строк кэш-памяти не возвращается в основную память, то содержимое основной памяти становится неадекватным вычислительному процессу. Чтобы избежать таких ошибок, предусмотрены различные методы обновления основной памяти.

Системы внешней памяти

Системы внешней памяти - это hard disc, то есть жесткий диск, floppy disc, то есть гибкий диск или дискета, CD-ROM и некоторые другие.

Жесткий диск, или винчестер (название пошло от совпадения oбозначения первого жесткого диска с обозначением винтовки XIX века фирмы Winchester) предназначен для хранения той информации, которая более или менее часто используется в работе: программы операционной системы, компиляторов, сервисных программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных и пр. Винчестер обеспечивает более быстрый доступ к данным, чем дискета, и значительно превосходит ее в емкости и надежности.

Жесткий диск - это одна или более жестких пластинок, покрытых материалом, позволяющим делать магнитную запись компьютерных данных. По его поверхности двигаются считывающе-записывающие головки. Между ними и поверхностью диска есть воздушный зазор, предохраняющий диск от повреждений и загрязнений.

Каждая машина располагает одним или двумя дисководами для гибких магнитных дисков. Дискеты используются для обмена программами и данными между компьютерами, для хранения программ, не используемых в работе, или запасных копий данных на случай их разрушения в винчестере. Можно использовать их для обычной работы на компьютере, однако это резко замедляет исполнение программ.

Floppy disc - это круглое плоское изделие из майлара (полиэтилен-перифталат), покрытое оксидом железа; субстанцией, содержащей крошечные частицы, которые удерживают магнитное поле. Дискета упакована в защитную пластиковую оболочку.

Данные считываются и записываются с помощью считывающе-записывающие головки, которая сменяет магнитное ориентирование частиц. Направление в одну сторону представляет собой двоичную 1, а в противоположную ей - двоичный 0. В зависимости от емкости, дискета может вмещать от нескольких сотен до миллиона байт данных, например, 3.5-дюймовые дискеты обладают емкостью 1.44 Мбайт, 5.25-дюймовые дискеты практически исчезли из употребления, так как они менее вместительны, менее надежны и менее долговечны.

CD-ROM (CD-R) - это аббревиатура, обозначающая Compact Disc Read Only Memory. С них можно только считывать информацию, так как она наносится на поверхность диска в виде желобков. Хотя кроме этого незначительного минуса, у них есть много плюсов. Во-первых, они обладают большой вместительностью - около 600 Мбайт. Во-вторых, использование лазерной оптики значительно ускоряет процесс считывания данных по сравнению с магнитными средствами.

Существую также CD-диски для чтения и записи информации (пишущие CD или CD-RW).

ЛЕКЦИЯ 12. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРЕРЫВАНИЯ ПРОГРАММ

Во время работы ЭВМ внутри нее самой или во внешней среде (в объекте, управляемом ЭВМ) могут возникнуть события, требующие немедленных ответных действий.

Прерывание программы - это способность ЭВМ при возникновении определенных ситуаций, требующих немедленной реакции ЭВМ, прекратить выполнение текущей программы и передать управление программе, реализующей реакцию ЭВМ на возникшую ситуацию.

Устройства, требующие вмешательства ЭВМ называются источниками прерываний.

Каждое событие, требующее прерывание, сопровождается сигналом, который называется запросом прерывания.

Программу, затребованную запросом прерывания, называют прерывающей программой.

Реакция ЭВМ состоит в том, что процессор формирует управляющий сигнал, требуемый прекращения выполнения текущей программы, а затем формирует управляющий сигнал перехода к обработке другой программы, соответствующей происходящему событию. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению текущей программы.

Так происходит и при реализации мультипрограммного режима работы, когда обязательно наличие системы приоритетных прерываний.

Мультипрограммный режим основан на том, что выполнение огромного большинства программ включает в себя операции, связанные с приостановкой работы ЦП (операции по вводу исходных данных, выводу результатов, загрузка программы с ВЗУ и тому подобное). Паузы же в работе ЦП используются для решения других задач. Чем больше одновременно обрабатывается программ (выше коэффициент мультипрограммирования), тем больше вероятность того, что в любой момент времени либо микропроцессор, либо то или иное устройство будет задействовано, вследствие чего производительность возрастает.

Запросы прерывания могут возникать внутри самой ЭВМ или во внешней среде. К первым относятся: запросы при переполнении разрядной сетки, при попытке деления на 0, при выходе из установленной для программы области памяти, затребование периферийным устройством операции ввода/вывода, завершение операции ввода/вывода устройством или возникновение особой ситуации при этой операции. Запросы во внешней среде возникаю от других ЭВМ, от аварийных и некоторых других датчиков управления объектами и другое. Таким образом, запросы прерывания генерируются несколькими развивающимися параллельно во времени процессами, которые в некоторые моменты времени требуют вмешательства процессора. К этим параллельным процессам в частности, относят процесс выполнения текущей программы, процесс контроля правильности работы ЭВМ, операции ввода/вывода, технологические процессы в управляемом машиной объекте и другие.

Возможность прерывания программ позволяет эффективно использовать производительность процессора при наличии нескольких, протекающих параллельно во времени процессов, требующих в произвольные моменты времени вмешательства центрального процессора. В первую очередь это относится к организации параллельной во времени работы процессора и пункта управления машины, а также к использованию ЭВМ для управления в реальном времени технологического процесса. В некоторых ЭВМ, наряду или вместо прерывания с переключением управления на другую программу, используется так называемая приостановка, когда по соответствующему запросу приостанавливается выполнение программы и с помощью аппаратных средств выполняется некоторая процедура без изменения содержания счетчика команды, а по ее окончании продолжается выполнение приостановленной программы. Чтобы ЭВМ могла реализовывать прерывания программ с достаточно высоким быстродействием, не требуя при этом больших усилий от программиста, необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название система прерывания программ. В качестве аппаратных средств используется блок прерывания (контроллер прерывания). Программные средства - специальные программы, каждая из которых соответствует определенному прерыванию.

Основные функции системы прерывания:

Ё запоминание состояния прерываемой программы и переход к прерывающей программе;

Ё восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.

При наличии нескольких источников запросов прерывания, между ними должны быть установлены приоритетные соотношения. Приоритет определяет, какой из поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливает, имеет ли данный запрос (прерывающая программ) право прерывать ту или иную программу.

Характеристики системы прерываний

Для оценки эффективности систем прерываний могут быть использованы следующие характеристики:

Общее число запросов прерывания (входов в систему прерываний).

Время реакции - время между появлением запроса прерывания и моментом прерывания текущей программы.

Приведем упрощенную диаграмму процесса (см. рис. 9.1).

Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшим приоритетом ждут обслуживания, поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом. Время реакции зависит от того, в какой момент допустимо прерывание. Как правило, в современных ЭВМ прерывание допускается после окончания текущей команды. В этом случае время реакции определяется в основном длительностью выполняемой команды. Оно может оказаться недопустимо большим для ЭВМ, работающих в реальном масштабе времени.

Рис. 12.1 Упрощенная временная диаграмма процесса прерывания

Дело в том, что в таких машинах часто допускается выполнение прерывания после любого такта команды (микрокоманды). Однако при этом возрастает количество информации, подлежащей запоминанию и восстановлению при переключении программ.

Имеются ситуации, в которых желательно немедленное прерывание. Если аппаратура контроля обнаружила ошибку, то целесообразно сразу же прервать операцию, пока ошибка не оказала влияние на следующие такты работы программы.

Затраты времени на переключение программ (издержки прерывания) равны суммарному расходу времени на заполнение и восстановление состояния программы.

Глубина прерывания - максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Если после перехода к прерывающей программе и до ее окончания прием запросов прекращается, то говорят, что система имеет глубину n, равную 1. Глубина n, равна N, если допускается последовательное прерывание до N программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов в системе прерываний.

Вот так выглядят временные диаграммы для прерывающих программ в системах с различной глубиной прерывания (предполагаем, что приоритет каждого последующего запроса выше предыдущего).

Рис. 12.2 Процессы прерывания с различной глубиной прерывания и дисциплиной обслуживания

Следует отметить, что система с большей глубиной прерывания обеспечивает более быструю реакцию на срочные запросы. Если запрос на прерывание от определенного источника прерывания окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника, то возникает так называемое насыщение системы прерываний. В этом случае предыдущий запрос будет утерян.

Число уровней прерывания (число классов прерывания). В ЭВМ число различных запросов (причин) прерывания может достигать нескольких десятков или сотен. В таких случаях часть запросов разделяют на отдельные классы или уровни. Совокупность запросов, инициирующих одну и ту же прерывающую программу, образует класс или уровень прерывания. Разделение запросов на классы прерывания представлено на рис. 12.3.

Запросы всех источников прерывания поступают на РгЗП, устанавливая соответствующие его разряды в единицу, которая указывает на наличие запроса прерывания определенного источника. Запросы классов прерывания ЗПК формируются схемами ИЛИ, объединяющих разряды РгЗП, относящихся к соответствующим уровням прерывания. Еще одна схема ИЛИ формирует общий сигнал прерывания ОСП, поступающий в устройство управления процессора. После принятия запроса прерывания на исполнение и передачу управления прерывающий программе соответствующий триггер РгЗП сбрасывается. Следует отметить, что объединение запросов в классы прерывания позволяет уменьшить объем аппаратуры, но приводит к замедлению работы системы прерываний.

Рис. 12.3 Разделение запросов на классы прерывания

Программно-управляемый приоритет прерывающих программ

Относительная степень важности программ, их частота повторения, относительная степень срочности в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых приоритетных соотношений. Поэтому во многих случаях приоритет между прерывающими программами не может быть зафиксирован раз и навсегда. Необходимо иметь возможность изменять по мере необходимости приоритетные соотношения программным путем.

В ЭВМ широко применяются два способа программно-управляемого приоритета прерывающих программ:

Ё использование порога прерывания;

Ё использование маски прерывания.

Использование порога прерывания позволяет в ходе вычислительного процесса программным путем изменить уровень приоритета процессора (а значит, и обрабатываемой в данный момент на процессоре программы) относительно приоритетов запросов источников прерывания, другими словами, задать порог прерывания, то есть минимальный уровень приоритета запроса прерывания, которому разрешается прерывать программу, выполняемую на процессоре. Порог прерывания задается командой программы, устанавливая в регистре код порога прерывания. Специальная схема выделяет наиболее приоритетный запрос, сравнивает его приоритет с порогом прерывания, и если он оказывается выше порога, вырабатывает общий сигнал прерывания, и начинается процедура прерывания.

Маска прерывания представляет собой двоичный код, разряды которого поставлены в соответствие запросам или классам (уровням) прерываний. Маска загружается командой программы в регистр маски (см. рис. 12.4)

Рис. 12.4 Маскирование прерываний

Состояние 1 в разряде РгМ разрешает, а состояние 0 запрещает (маскирует) прерывание текущей программы от соответствующего запроса. Таким образом, программа, изменяя маску в РгМ, может устанавливать произвольные соотношения между программами, без перекоммутации линий, по которым поступают запросы прерываний. Каждая прерывающая программа может установить свою маску. При формировании маски 1 устанавливается в разряды, соответствующие запросам (прерывающим программам) с более высоким, чем у данной программы, приоритетом. Схемы И выделяют поступившие незамаскированные запросы прерываний, из которых специальная схема выделяет наиболее приоритетный и формирует код его номера. С замаскированными запросами, в зависимости от причин прерываний поступают двояким образом: или игнорируется, или запоминается.

Организация перехода к прерывающей программе

Вектор начального состояния прерывающей программы называют вектором прерывания. Он содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому запросу (уровню) прерывания соответствует свой вектор прерывания, способный инициировать выполнение соответствующей прерывающей программы. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти (стеке).

Главное место в процедуре перехода к прерывающей программе занимает передача из соответствующего регистра (регистров) процессора в память (стек) на сохранение текущего вектора состояния прерываемой программы (чтобы можно было вернуться к ее исполнению) и загрузка в регистр (регистры) процессора вектора прерывания прерывающей программы, к которой при этом переходит управление процессором.

Наиболее гибким и динамичным является векторное прерывание, при котором источник прерывания, выставляя запрос прерывания, посылает в процессор (выставляет на шины интерфейса) код адреса в памяти своего вектора прерывания.

При векторном прерывании каждому запросу прерывания или, другими словами, устройству -- источнику прерывания, соответствует переход к начальному адресу соответствующей прерывающей программы, задаваемому вектором прерывания.

ЛЕКЦИЯ 13. ПОДСИСТЕМА ВВОДА/ВЫВОДА

Принципы организации подсистемы ввода/вывода

Эффективность использования вычислительных возможностей ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но также составом ее периферийных устройств, их техническими характеристиками и способами организации их совместной работы с ядром (процессор и основная память) компьютера.

При разработке подсистемы ввода/вывода должны быть решены следующие проблемы.

Должна быть обеспечена возможность реализации машины с переменной конфигурацией (то есть с переменным составом оборудования). В первую очередь, пользователь должен иметь возможность легко дополнять машину новыми устройствами, изменять состав периферийных устройств в соответствии с назначением ЭВМ.

Должна реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода/вывода.

Для пользователя должно быть упрощено и стандартизировано программирование операций ввода/вывода, обеспечена независимость программирования ввода/вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.

Должны быть обеспечены автоматическое распознавание различных ситуаций, возникающих в периферийных устройствах, и реакция ядра ЭВМ на эти ситуации (будь то готовность устройства, различные нарушения его работы или отсутствие носителей).

Наиболее актуально решение этих проблем для ЭВМ с большим количеством разнообразных устройств.

Основные пути решения указанных проблем:

Модульность. Средства современной ВТ проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа. Он заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агрегатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя ЭВМ.

Унифицированные (не зависящие от типа периферийных устройств) форматы данных, которыми периферийные устройства обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе и унифицированный формат сообщения, которое периферийное устройство посылает в ядро о своем состоянии. Преобразование в индивидуальные форматы данных осуществляют контроллеры и адаптеры.

Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и выбор команд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т.п.

Многие функции управления операциями ввода-вывода (как например управление прямым доступом к памяти) являются общими, они не зависят от типа ПУ. Другие являются специфичными для данного типа устройств. Выполнение общих функций возлагают на общие для групп ПУ унифицированные устройства - контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры (каналы) ввода-вывода, а специфических -- на специализированные для данного типа ПУ электронные блоки управления (адаптеры).

Использование множества периферийных устройств ПУ с относительно небольшим быстродействием приводит к тому, что основное время работы процессора занято обработкой операций ввода-вывода и ожиданием готовности внешних устройств к обмену. Это существенно снижает быстродействие ЭВМ. Эффективность работы ЭВМ можно повысить путем разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами.

Каналы ввода-вывода

Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства - каналы ввода-вывода (КВВ), задачей которых является обеспечение взаимодействия центрального процессора и ПУ (рис. 13.1).

Рис. 13.1 Схема ЭВМ с каналами ввода-вывода

Характерная особенность КВВ заключается в том, что канал работает по хранимой в памяти программе, т. е. так же, как процессор. Следовательно, КВВ, по существу, является специализированным процессором ввода-вывода. В результате центральный процессор полностью освобождается от обслуживания операций обмена периферийных устройств с памятью. КВВ взаимодействует с ПУ через стандартные устройства сопряжения - интерфейсы и устройства управления периферийными устройствами - контроллеры. В структуре ЭВМ, показанной на рис. 10.1, используются интерфейсы четырех типов:

- оперативной памяти (через интерфейс осуществляется обмен информацией между ОП, процессором и каналами);

- «процессор--канал» (на рис. 10.1 не показан), необходимый для обмена управляющими сигналами между ними;

- ввода-вывода (через интерфейс контроллеры ПУ подключаются к каналу);

- устройств (с помощью интерфейса ПУ подключаются к контроллеру).

Контроллер осуществляет управление обменом информации для группы ПУ одного типа, например накопителей на магнитных дисках, и выполняет следующие функции:

- преобразует стандартные последовательности сигналов интерфейса в последовательности сигналов, обеспечивающие работу конкретного ПУ;

- синхронизирует работу ПУ с другими устройствами, в первую очередь с процессором;

- обеспечивает буферизацию информации, т. е. запоминание в своей внутренней памяти обмениваемых данных на время, необходимое для реализации цикла обмена.

КВВ включает в свой состав запоминающие устройства (регистры) и логические схемы, которые выполняют упаковку, распаковку и подсчет данных, модификацию адреса данных и передачу информации из оперативной памяти в периферийные устройства и в обратном направлении. Канал работает под управлением канальной программы, которая хранится в специально отведенной области основной памяти ЭВМ.

Основные функции канала:

- прием команд управления работой канала из центрального процессора;

- адресация внешнего устройства, указанного в принятой команде;

- выполнение действий, заданных в командах;

- установка управляющих сигналов на шинах интерфейса ввода-вывода;

- прием управляющих сигналов, поступающих от ПУ по шинам интерфейса;

- непосредственная передача информации между оперативной памятью и ПУ;

- контроль передаваемой информации на четность;

- подсчет количества передаваемых байт информации;

- прием и анализ информации о состоянии периферийных устройств;

- формирование запросов в центральный процессор на прерывание;

- управление последовательностью прерываний от ПУ и выполнение прерывания.

Таким образом, КВВ реализует функции управления обменом информации, общие для всех ПУ, контроллер выполняет управление обменом для группы ПУ одного типа, а интерфейс осуществляет электрическую связь между каналом и контроллерами, подключенными к этому каналу, и подготавливает сигналы ввода и вывода таким образом, чтобы любое ПУ могло подключиться к каналу.

В общем виде обмен информацией с использованием КВВ выполняется в следующем порядке:

1. центральный процессор, получив команду ввода-вывода, передает ее в канал:

2. канал из определенной ячейки памяти считывает начальный адрес канальной программы и начинает ее выполнять;

3. канал, выполняя команды обмена, обращается к тем или иным ПУ, читает или записывает слова информации, обращаясь в ОП, при необходимости производит изменение формата вводимых и выводимых данных и т.д.

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интерфейсов.

Интерфейсы ввода-вывода

Интерфейс - это совокупность линий и шин сигналов, электрических схем, а также алгоритмов (протоколов), осуществляющих обмен информацией между устройствами ЭВМ. Он унифицирует состав и назначение линий связи, определяет последовательность сигналов при выполнении операций, временные соотношения и переходные процессы в линиях.

Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, называют шинами интерфейса. Совокупность всех линий образует магистраль интерфейса.

Надежность и производительность ЭВМ во многом зависят от характеристик интерфейсов.

Классификация интерфейсов

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным сопряжением между всеми уровнями -- стандартным интерфейсом. Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

1) пропускной способностью интерфейса -- количеством информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

2) максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

3) информационной шириной интерфейса -- числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;

4) максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

5) динамическими параметрами интерфейса -- временем передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

6) общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

В настоящее время не существует однозначной классификации интерфейсов. Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

Ё способ соединения компонентов системы (радиальный, магистральный, смешанный);

Ё способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);

Ё принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

Ё режим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

На рис. 13.2 представлены радиальный и магистральный интерфейсы, соединяющие центральный модуль (ЦМ) и другие модули (компоненты) системы (М₁, ..., М_п).

Рис. 13.2. Радиальный (а) и магистральный (б) интерфейсы

Радиальный интерфейс позволяет всем модулям (М₁, , M_n) работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена. Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по многопроводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных.

Классификация интерфейсов по назначению отражает взаимосвязь с архитектурой реальных средств вычислительной техники. В соответствии с этим признаком в ЭВМ и вычислительных системах можно выделить несколько уровней сопряжений:

- машинные системные интерфейсы;

- локальные шины;

- интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);

- межмашинные интерфейсы.

Машинные (внутримашинные) системные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ на уровне обмена информацией с центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора, и предназначенная для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VLB и PCI,

Назначение интерфейсов периферийных устройств (малых интерфейсов) состоит в выполнении функций сопряжения контроллера (адаптера) с конкретным механизмом ПУ.

Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных системах и сетях.

С целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единственную шину (общая шина) для памяти и устройств ввода-вывода. Персональные компьютеры первых поколений, как правило, строились на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA. Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к многоуровневой организации шин на основе использования нескольких системных и локальных шин. В современных компьютерах шины интерфейсов делят на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода-вывода. Шины процессор-память сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации подсистемы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Шины ввода-вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Обычно количество и типы устройств ввода-вывода в вычислительных системах не фиксируются, что дает возможность пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода-вывода компьютера рассматривается как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода-вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода-вывода работать независимо.

ЛЕКЦИЯ 14. ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ШИН

Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в таблице 14.1.

Таблица 14.1

Характеристики стандартных шин

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в ПК IBM PC/AT на базе процессора 12826. Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. В современных компьютерах используется как шина ввода/вывода для организации связи с медленно действующими периферийными устройствами. С появлением процессоров i386, i486 системная шина ISA стала "узким местом" ПК на их основе.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), разработанная в 1988 году, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.

Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах компании IBM.

Локальная шина VESA-Local-Bus (VLB) предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она подключалась непосредственно к процессору i486, и только к нему. После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VLB версии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения. Ожидаемая скорость передачи данных - до 400 Мбайт/сек.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnection) в первом варианте использовалась как локальная шина и предназначалась для тех же целей, что и предыдущая шина (VLB). В действующем втором варианте шина PCI относится к шинам ввода/вывода. В данном случае соединение шин центрального процессора и PCI осуществляется через так называемую РС1-перемычку, мост PCI или контроллер, которые согласуют шину центрального процессора с шиной PCI. Это означает, что PCI может работать с процессорами различных платформ и поколений.

Шина VME приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизирована, имеет несколько версий этого стандарта: VME32, VME64.

В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серверах на основе микропроцессоров архитектуры SPARC одновременно используются несколько типов шин: Sbus, Mbus и XDBus, причем шина Sbus применяется в качестве шины ввода/вывода, a Mbus и XDBus -- в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.

Локальная шина AGP (Accelerated Graphics Port) первоначально предназначалась исключительно для графики и была способна повысить производительность видео-приложений. Для использования технологии AGP необходим набор микросхем Intel 440LX, который позволяет разгрузить сравнительно "узкую" (133 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера и подключить последний к специально предназначенной для него более "широкой" (528 Мб/с) шине AGP. На долю же PCI остаются более медленные устройства, функционирование которых существенно улучшается благодаря отключению от шины более быстродействующих устройств, то и дело создающих "пробки" в стремительном потоке данных. Набор 440LX не только имеет поддержку AGP, но и допускает использование в машинах на базе Pentium II быстродействующей памяти SDRAM, которая обеспечивает более высокую производительность, чем ОЗУ типа EDO DRAM, применяемое в машинах Pentium II со старым набором микросхем.

PCI-X - расширение шины PCI, которая работает на тактовой частоте 133 МГц. Шина PCI-X обладает обратной совместимостью с PCI, требует нового набора микросхем Intel 450 NX, кроме того, благодаря новой схеме обмена регистр-регистр достигается пропускная способность 1,06 Гб/с (8 Гбит/с), что обеспечивает почти шестикратный выигрыш в производительности. В первую очередь PCI-X предназначена для подключения высокопроизводительных адаптеров типа Gigabit Ethernet, Ultra 3SCSI и Fibre Channel (FC-AL).

В целом же шинная архитектура настольного ПК нового (на ближайшие два-три года) поколения содержит несколько шин с различной пропускной способностью:

Ё шины (1Гб/с), соединяющей ядро Pentium II с кэш-памятью второго уровня,

Ё трех шин (528 Мб/с), соединяющих новый набор AGPset с ядром процессора, SDRAM и графическим акселератором,

Ё шины PCI (133 Мб/с).

Применение такой шиной организации увеличивает быстродействие компьютеров при выполнении целочисленных операций, действий с плавающей запятой и работе с мультимедиа-приложениями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Большая Советская энциклопедия

Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы.-М.: Наука.- 1980.

Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы -М.: Энергия.- 1991

Краковяк С. Основы организации и функционирования ОС ЭВМ.- М.: Мир.-1988.

Беляев С.Н., Козырева Г.М. и др. Вычислительные машины, комплексы и сети: Учебник / под ред. А.П. Пятибратова. - М.: Финансы и статистика, 1991.

Пятибратов А.П., Гудыко Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник / Под ред. А.П. Пятибратова. - М.: Финансы и статистика, 1998.

Водяхо А.И., Горнец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1997.

Компьютерные системы и сети. Учеб. пособие /В.П. Косарев и др. - М.: Финансы и статистика, 1999.

Protiж J., Tomaљeviж M., Milutinoviж V. Distributed Shared Memory: Concepts and Systems.// IEEE Parallel & Distributed Technology.-1996.-V.4, No.2.- P.63-79.

Cheriton D.R. Preliminary thoughts on problem-oriented shared memory: A decentralized approach to distributed systems.// Oper. Syst. Rev.-1985.-V.19(4).-P.26-33.

Li К., Hudak P. Memory Coherence in Shared Virtual Memory Systems.// ACM Trans. Computer Systems.-1989.-V.7, No.4.-P.321-359.

Размещено на Allbest.ru