Попов, Ф.А. Вычислительные машины. Общие принципы построения и архитектуры

Подождите немного. Документ загружается.

Использование того факта, что размер страницы равен степени 2,

позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо

более длительной операции сложения, что уменьшает время получения

физического адреса, а значит, повышает производительность

компьютера.

На производительность системы со страничной организацией

памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой

страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в

физический. Время преобразования виртуального адреса в физический

в значительной степени определяется временем доступа к таблице

страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в

«быстрых» запоминающих устройствах. Это может быть, например,

набор специальных регистров или память, использующая для

уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование

данных.

Сегментное распределение.zzzzzПри страничной организации

виртуальное адресное пространство процесса делится механически на

равные части, что не позволяет дифференцировать способы доступа

к разным частям программы (сегментам), а также организовать разде-

ление одного сегмента несколькими процессами. Например, если два

процесса используют одну и ту же подпрограмму, то в оперативную

память может быть загружена только одна копия этой подпрограммы.

Рассмотрим, каким образом сегментное распределение памяти

реализует эти возможности (рисунок 8.8). Виртуальное адресное

пространство процесса делится на сегменты, размер которых

определяется программистом с учетом смыслового значения

содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может

представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда

сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором.

При загрузке процесса часть сегментов помещается в

оперативную память, а часть сегментов размещается в дисковой

памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной

памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает

таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой

для каждого сегмента указывается начальный физический адрес

сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа,

признак модификации, признак обращения к данному сегменту за

последний интервал времени и некоторая другая информация. Если

виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают

один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов

делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в

который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.

Рисунок 8.8 — Распределение памяти сегментами

Система с сегментной организацией функционирует аналогично

системе со страничной организацией: время от времени происходят

прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при

необходимости освобождения памяти некоторые сегменты

выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти

выполняется преобразование виртуального адреса в физический.

Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ

требуемого типа

к данному сегменту.

Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может

быть представлен парой (g, s), где g — номер сегмента, а s — смещение

в сегменте. Физический адрес получается путем сложения начального

физического адреса сегмента, найденного в таблице сегментов по

номеру g, и смещения s.z

Недостатком данного метода распределения памяти является

фрагментация на уровне сегментов и более медленное по сравнению со

страничной организацией преобразование адреса.

Странично–сегментное распределение. Хранить в памяти

сегменты большого размера целиком так же неудобно, как и хранить

процесс непрерывным блоком. Напрашивается идея разбиения

сегментов на страницы. В этом случае виртуальное пространство

процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь

делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах

сегмента (рисунок 8.9).

Рисунок 8.9 — Странично–сегментное распределение памяти

Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка

процесса выполняется ОС постранично, при этом часть страниц

размещается в оперативной памяти, а часть — на диске. Для каждого

сегмента создается своя таблица страниц, структура которой

полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой

Физический адрес

Виртуальный адрес (g, p, S)

p n

Номер виртуальной

страницы — p

Смещение — SНомер сегмента — g

Смещение — S

Таблица сегментов

Таблица страниц

сегмента g

Номер физической

страницы — n

при страничном распределении. Для каждого процесса создается

таблица сегментов, в которой указываются адреса таблиц страниц для

всех сегментов данного процесса. Адрес таблицы сегментов

загружается в специальный

регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс.

На рисунке 8.9 показана схема преобразования виртуального адреса

в физический для данного метода.

Свопинг.zzzzРазновидностью виртуальной памяти является

свопинг. В соответствии с этим методом некоторые процессы (обычно

находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск.

Планировщик операционной системы не исключает их из своего

рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого

процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс

перемещается в оперативную память. Если свободного места в

оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов

реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между

памятью

и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс

может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют

различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а

также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти

загружаемому процессу.

8.5.3 Управление вводом–выводом

Функционирование любой вычислительной системы обычно

сводится к выполнению двух видов работ: обработке информации и

операций по осуществлению ее ввода–вывода. Одной из главных

функций ОС при этом является управление всеми устройствами ввода–

вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды,

перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна

обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью

системы.

В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов

устройств (независимость от устройств).

Физические принципы организации ввода–вывода. Устройства

ввода–вывода делятся на два типа: блок–ориентированные и байт–

ориентированные. Блок–ориентированные устройства хранят

информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых

имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок–

ориентированное устройство — диск. Байт–ориентированные

устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию

поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов.

Примерами являются терминалы, строчные принтеры и др. Однако

некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу,

например,

часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не

порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал

прерывания в некоторые моменты времени. zВнешнее устройство

обычно состоит из механического и электронного компонента.

Электронный компонент называется контроллером устройства, или

адаптером. Механический компонент представляет собственно

устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими

устройствами. Операционная система обычно имеет дело не с

устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет

простые функции, например, преобразует поток бит в блоки,

состоящие из байт, и осуществляет контроль и исправление ошибок.

Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются

для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых

компьютерах эти регистры являются частью физического адресного

пространства. В таких компьютерах нет специальных операций ввода–

вывода. В других компьютерах адреса регистров ввода–вывода,

называемых портами, образуют собственное адресное пространство

за счет введения специальных операций ввода–вывода.

ОС выполняет ввод–вывод, записывая команды в регистры

контроллера. При завершении команды контроллер организует

прерывание для того, чтобы передать управление процессором

операционной системе, которая должна проверить результаты

операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая

информацию из регистров контроллера.

Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой

и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом

наборе принципов, которые мы и рассмотрим ниже.

Общие сведения об архитектуре современного компьютера. В

простейшем случае процессор, память и внешние устройства связаны

большим количеством электрических соединений — линий, которые

в совокупности принято называть локальной магистралью

компьютера. Внутри локальной магистрали линии, служащие для

передачи сходных сигналов и предназначенные для выполнения

сходных функций, принято группировать в шины. При этом понятие

шины включает в себя не только набор проводников, но и набор жестко

заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который

может быть передан

с помощью электрических сигналов по этим проводникам. В

современных компьютерах выделяют, как минимум, три шины:

 шину данных, состоящую из линий данных и служащую для

передачи информации между процессором и памятью, процессором

и устройствами ввода–вывода, памятью и внешними устройствами;

 адресную шину, состоящую из линий адреса и служащую для

задания адреса ячейки памяти или указания устройства ввода–вывода,

участвующих в обмене информацией;

 шину управления, состоящую из линий управления локальной

магистралью и линий ее состояния, определяющих поведение

локальной магистрали.

Количество линий, входящих в состав шины, принято называть

разрядностью (шириной) этой шины. Ширина адресной шины,

например, определяет максимальный размер оперативной памяти,

которая может быть установлена в вычислительной системе. Ширина

шины данных определяет максимальный объем информации, которая

за один раз может быть получена или передана по этой шине.

Внешние устройства разнесены пространственно и могут

подключаться к локальной магистрали в одной или множестве точек,

получивших название портов ввода–вывода. При этом каждый порт

получает свой номер или адрес в адресном пространстве портов

ввода–вывода.

В некоторых случаях, когда адресное пространство оперативной

памяти задействовано не полностью (остались адреса, которым не

соответствуют физические ячейки памяти) и протоколы работы с

внешним устройством совместимы с протоколами работы с памятью,

часть портов ввода–вывода может быть отображена непосредственно в

адресное пространство памяти (так, например, поступают с

видеопамятью дисплеев). В этом случае действия, необходимые для

обмена данными с внешними устройствами, не отличаются от

действий, производимых для передачи информации между

оперативной памятью и процессором, и для их выполнения

применяются те же самые команды.

Если же порт отображен в адресное пространство портов ввода–

вывода, то процесс обмена информацией инициируется специальными

командами ввода–вывода. Что именно должны делать устройства,

приняв информацию через свой порт, и каким именно образом они

должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется

электронными схемами устройств, получившими название

контроллеров. Контроллер может непосредственно управлять

отдельным устройством (например, контроллер диска), а может

управлять несколькими устройствами, связываясь с их контроллерами

посредством специальных шин ввода–вывода.

Выделим некоторые общие черты контроллеров, необходимые

им для взаимодействия с вычислительной системой. Обычно каждый

контроллер имеет, по крайней мере, четыре внутренних регистра,

называемых регистрами состояния, управления, входных данных и

выходных

данных. Для доступа к содержимому этих регистров вычислительная

система может использовать один или несколько портов. Для простоты

изложения будем считать, что каждому регистру соответствует свой

порт.

Регистр состояния содержит биты, значение которых

определяется состоянием устройства ввода–вывода и которые

доступны только для чтения вычислительной системой. Эти биты

индицируют завершение выполнения текущей команды на устройстве

(бит занятости), наличие очередного данного в регистре выходных

данных (бит готовности данных), возникновение ошибки при

выполнении команды (бит ошибки) и т. д.

Регистр управления получает данные, которые записываются

вычислительной системой для инициализации устройства ввода–

вывода или выполнения очередной команды, а также изменения

режима работы устройства. Часть битов в этом регистре может быть

отведена под код выполняемой команды, часть битов будет кодировать

режим работы устройства, бит готовности команды свидетельствует о

том, что можно приступить к ее выполнению.

Регистр выходных данных служит для помещения в него

данных для чтения вычислительной системой, а регистр входных

данных предназначен для помещения в него информации, которая

должна быть выведена на устройство.

Рассмотрим, как выполняется команда вывода данных на внешнее

устройство с использованием контроллера:

процессор читает информацию из порта регистра состояний и

проверяет значение бита занятости. Если бит занятости установлен, то

это означает, что устройство еще не завершило предыдущую

операцию, и процессор повторяет операцию чтения. Если бит

занятости сброшен, то устройство готово к выполнению новой

операции, и процессор переходит на следующий шаг;

процессор записывает код команды вывода в порт регистра

управления;

процессор записывает данные в порт регистра входных данных;

процессор устанавливает бит готовности команды. В следующих

шагах процессор не задействован;

когда контроллер определяет, что бит готовности команды

установлен, он устанавливает бит занятости;

контроллер анализирует код команды в регистре управления и

обнаруживает, что это команда вывода. Он берет данные из регистра

входных данных и инициирует выполнение команды;

после завершения операции контроллер обнуляет бит готовности

команды;

при успешном завершении операции контроллер обнуляет бит

ошибки в регистре состояния, при неудачном завершении команды –

устанавливает его;

контроллер сбрасывает бит занятости.

Как видим, процессор ожидает освобождения устройства,

непрерывно опрашивая значение бита занятости. Такой способ

взаимодействия процессора и контроллера получил название способа

опроса устройств.

Для того чтобы процессор не дожидался состояния готовности

устройства ввода–вывода, непрерывно опрашивая его, а мог выполнять

в это время другую работу, необходимо, чтобы устройство само умело

сигнализировать процессору о своей готовности. Механизм, который

позволяет внешним устройствам оповещать процессор о завершении

команды вывода или команды ввода, получил название механизма

внешних прерываний.

В простейшем случае для реализации механизма прерываний

необходимо к имеющимся шинам локальной магистрали добавить

еще одну линию, соединяющую процессор и устройства ввода–вывода

— линию прерываний. По завершении выполнения операции внешнее

устройство выставляет на эту линию специальный сигнал, по которому

процессор после выполнения очередной команды изменяет свое

поведение. Вместо выполнения очередной команды из потока команд

он частично сохраняет содержимое своих регистров и переходит на

выполнение программы обработки прерывания, расположенной по

заранее оговоренному адресу. При наличии только одной линии

прерываний процессор при выполнении этой программы должен

опросить состояние всех устройств ввода–вывода, чтобы определить,

от какого именно устройства пришло прерывание, выполнить

необходимые действия (например, вывести в это устройство

очередную порцию информации или перевести соответствующий

процесс из состояния ожидание в состояние готовность) и сообщить

устройству, что прерывание обработано (снять прерывание).

В большинстве современных компьютеров устройства сообщают

о своей готовности процессору не напрямую, а через специальный

контроллер прерываний, при этом для общения с процессором он

может использовать не одну линию, а целую шину прерываний.

Каждому устройству присваивается свой номер прерывания, который

при возникновении прерывания z контроллер прерывания заносит в

свой регистр состояния для дальнейшей передачи процессору по

специальному

запросу. Номер прерывания обычно служит индексом в специальной

таблице прерываний, хранящейся по адресу, задаваемому при

инициализации вычислительной системы, и содержащей адреса

программ обработки прерываний — векторы O прерываний. Обычно

при установке

в систему нового устройства ввода–вывода требуется аппаратно или

программно определить, каким будет номер прерывания,

вырабатываемый этим устройством.

Не все внешние устройства являются одинаково важными с точки

зрения вычислительной системы. Соответственно, некоторые

прерывания являются более существенными, чем другие.

Контроллер прерываний обычно позволяет устанавливать

приоритеты для прерываний от внешних устройств. При

одновременном возникновении прерываний от нескольких устройств

процессору сообщается номер наиболее приоритетного прерывания

для его обслуживания в первую очередь. Менее приоритетное

прерывание при этом не пропадает, о нем процессору будет доложено

после обработки более приоритетного прерывания. Более того, при

обработке возникшего прерывания процессор может получить

сообщение о возникновении прерывания с более высоким

приоритетом и переключиться на его обработку.

Похожим образом процессор обрабатывает исключительные

ситуации и программные прерывания (внутренние прерывания).

Исключительные ситуации возникают во время выполнения

процессором команды. К их числу относятся ситуации переполнения,

деления на ноль, обращения к отсутствующей странице памяти и т. д.

Программные прерывания возникают после выполнения специальных

команд, как правило, для выполнения привилегированных действий

внутри системных вызовов.

Использование механизма прерываний позволяет разумно

загружать процессор в то время, когда устройство ввода–вывода

занимается своей работой. Однако запись или чтение большого

количества информации, например, с диска, приводят к большому

количеству операций ввода–вывода, которые должен выполнять

процессор. Для освобождения процессора от операций

последовательного вывода данных из оперативной памяти или

последовательного ввода в нее был предложен механизм прямого

доступа внешних устройств к памяти — ПДП или Direct Memory

Access — DMA. Выполняется такой доступ через специальный

контроллер прямого доступа к памяти, который

и управляет такого рода обменом без участия центрального процессора

(исключая этапы инициализации и окончания обмена).

Строение жесткого диска. Современный жесткий магнитный

диск представляет собой набор круглых пластин, находящихся на одной

оси и покрытых с одной или двух сторон специальным магнитным

слоем (рисунок 8.10).

Рисунок 8.10 — Схема жесткого диска

Около каждой рабочей поверхности каждой пластины

расположены магнитные головки для чтения и записи информации.