Вставская Е.В. Архитектура ЭВМ, систем, сетей, лекции

Подождите немного. Документ загружается.

команд, но для обеспечения возврата текущее содержимое счетчика

необходимо запомнить. Прерывающая программа при своей работе меняет

состояние признаков результата, выработанных последней командой

прерванной программы. Если их не сохранить, то это может нарушить работу

прерванной программы. Если допустимы прерывания из нескольких

источников, имеющих разный приоритет, возможны вложенные или

многоуровневые прерывания, когда выполнение прерывающей программы

прерывается более высокоприоритетной программой. При обработке

высокоприоритетного прерывания все более низкоприоритетные прерывания

не должны оказывать воздействия на процессор.

Для управления многоуровневыми прерываниями в процессоре

предусматривается возможность запрета обработки прерываний от

отдельных или всех источников. Наиболее удобно это делать путем

присвоения приоритета процессору. Процессор реагирует только на те

прерывания, приоритет которых выше его текущего приоритета. Каждая

программа обработки прерывания должна устанавливать соответствующий

приоритет процессора. При наивысшем приоритете запрещена реакция на

все прерывания. Текущий приоритет прерванной программы также должен

сохраняться при переключении.

Сохранение состояния перечисленных регистров имеет наиболее важное

значение для обеспечения возможности возврата к прерванной программе.

Обычно содержимое этих регистров объединяется в слово, называемое словом

состояния процессора (ССП). При прерывании процессор сохраняет свое

текущее (старое) ССП в стеке или в фиксированной ячейке памяти, а на его

место загружает новое ССП, которое и определяет приоритет прерывающей

программы, её стартовый адрес и состояние признаков на момент начала её

выполнения. Новое ССП выбирается из ОЗУ. Адрес конкретной ячейки,

откуда оно берется, определяется причиной прерывания.

Все другие регистры обычно сохраняются программно, по командам

прерывающей программы.

Выше был описан механизм прерываний процессоров в общем виде. В

конкретных процессорах переключение программ при прерываниях имеет

свои особенности. В основном это касается информации о приоритете

процессора (программ). Например, в простых системах может отсутствовать

возможность управления приоритетом процессора и он имеет в этом смысле

только два состояния: в одном прерывание разрешено, в другом запрещено.

При этом нет необходимости сохранения приоритета и для него не отводят

разрядов в ССП. В ЭВМ общего назначения управление приоритетом

осуществляется с помощью маски прерывания и соответственно в ССП

отводятся разряды для маски и кода прерывания.

Для возврата к прерванной программе используется специальная

команда «Возврат из прерывания», по которой в процессор возвращается

старое ССП. Восстановление других регистров (сохраняемых программно)

осуществляется программно.

Механизм прерываний используется и для вызова подпрограмм из

программы. В любом процессоре есть команды автопрерываний, по которым

выполняются те же действия, что и по сигналам прерывания, приходящим из

интерфейса. Эти команды называются еще командами вызова супервизора или

командами-экстракодами. Они применяются для вызова подпрограмм

операционной системы, для целей отладки, а также для вызова подпрограмм

пользователя. На месте адреса операнда в экстракодах часто помещают код

или номер подпрограммы.

Число линий для подключения запросов прерываний в процессоре

обычно невелико. В простых микропроцессорах вообще используется

единственный вход "Запрос прерывания". В то же время источников

сигналов прерываний может быть много. Поскольку прерывания поступают

в случайные моменты времени, между ними могут возникать конфликты,

разрешающиеся с помощью приоритетов. Конфликты между запросами,

поступающими на разные линии запросов прерываний интерфейса,

разрешает сам процессор. Конфликты между запросами одного уровня, т. е.

подключенных к одной и той же линии запроса интерфейса, должны

разрешаться с помощью контроллера прерываний, который может входить в

состав каждого из устройств или включаться в систему как отдельное уст-

ройство. В последнем случае запросы от устройств поступают в контроллер

прерываний каждый по своей линии, что не всегда удобно.

Отдельные запросы прерываний образуют код прерывания, число

разрядов которого равно числу отдельных запросов. Для управления

запросами в системе прерываний ЭВМ предусматривается возможность

запрета прерываний от отдельных источников. Это осуществляется обычно с

помощью кода маски, поразрядно умножаемого на код прерывания. В

результате умножения остаются только запросы, от которых прерывания

разрешены. Контроллер прерываний из кода прерывания, умноженного на

маску, формирует вектор прерывания - число, равное номеру одного наиболее

высокоприоритетного, незамаскированного запроса прерывания. Процессор

может принять по шине данных вектор прерывания и обеспечить переход на

нужную подпрограмму обработки, выбрав из таблицы по принятому вектору

новое ССП. Ячейки таблицы новых ССП обычно располагаются в начальной

части ОЗУ. Если вычисление вектора прерывания не делается в контроллере

прерываний, то выяснение причины прерывания осуществляется

программно путем анализа разрядов кода запроса или готовности устройств,

подключенных к интерфейсу. Программный анализ значительно замедляет

реакцию процессора на прерывание, но экономится оборудование и память.

При программном анализе нет необходимости в новом ССП и при

прерываниях управление может передаваться на одну и ту же

(фиксированную) ячейку памяти.

Основное назначение системы прерываний, как уже говорилось,

обеспечение возможности быстрой реакции на события внутри системы и во

внешней среде. Но механизм прерываний оказался очень удобным и для

контроля за работой аппаратуры самого процессора, программы и проверки

корректности данных и команд, наконец, просто для вызова подпрограмм,

расширяющих функции системы команд. Все такие прерывания возникают

внутри процессора, но они обрабатываются так же, как и внешние по

отношению к процессору прерывания, приходящие в него по цепям

интерфейса. При переключении программ по прерыванию в

мультипрограммных системах одновременно может переключаться и режим

работы процессора. В некоторых режимах допускается использование

привилегированных операций, к которым относятся операции управления

памятью, операции ввода - вывода и др. Необходимость режима

привилегированных операций диктуется требованиями мультипрограммного

режима работы, защиты информации от несанкционированного доступа и т.

п.

Причины прерываний могут быть разделены на группы.

Прерывания от схем контроля. Эта группа сигналов формируется в

самом процессоре схемами, контролирующими правильность выполнения

операций и передач информации. При возникновении ошибки возникает

сигнал прерывания, по которому должна включаться диагностическая

программа.

Программные прерывания. При выполнении программы могут

возникнуть различные ситуации, вызванные ошибками в данных и

программе: переполнение, деление на нуль, потеря значимости, не-

корректный код операции, ошибки адресации, обращение к несуществующей

ячейке памяти или устройству, обращение за пределы выделенной программе

области памяти (нарушение защиты памяти) и др. В этих ситуациях внутри

процессора вырабатываются сигналы прерывания, которые обрабатываются

программами супервизора, анализирующими возникшую ситуацию. Резуль-

таты анализа передаются программе пользователя. Если продолжение

выполнения программы невозможно, то задача снимается с решения.

Автопрерывания или вызовы супервизора - разновидность программных

прерываний.

Прерывания от ввода-вывода. Если рассмотренные выше прерывания

возникают внутри процессора, то прерывания от ввода - вывода поступают в

процессор по шинам интерфейса и являются по отношению к нему внешними.

Прерывания этой группы сигнализируют о завершении операций

(готовности) или аварийной ситуации в устройствах ввода - вывода, ПУ и

спецпроцессорах.

Обработка прерываний от ввода - вывода, анализ состояния и

управление устройством, в том числе преобразование данных или их

перекодировка при обмене, осуществляются драйверами устройств -

программами, включенными в состав супервизора ввода- вывода.

1.7 Организация ввода - вывода в ЭВМ

Вводом-выводом (ВВ) называются передачи данных между ядром ЭВМ,

включающим в себя процессор и основную память, и периферийными

устройствами. Он представляет собой единственное средство взаимодействия

ЭВМ с «внешним миром», и архитектура ВВ (режимы работы, форматы

команд, особенности прерываний, скорость обмена и др.) непосредственно

влияет на эффективность всей системы. За время эволюции ЭВМ подсистема

ВВ претерпела наибольшие изменения благодаря расширению сферы

применения ЭВМ и появлению новых периферийных устройств. Особенно

важную роль средства ВВ играют в управляющих ЭВМ. Разработка

аппаратных средств и программного обеспечения ВВ является наиболее

сложным этапом проектирования новых систем на базе ЭВМ, а возможности

ВВ серийных машин представляют собой один из важных параметров,

определяющих выбор машины для конкретного применения.

Несмотря на разнообразие периферийных устройств, разработано

несколько стандартных способов подключения их к ЭВМ и

программирования ВВ. В ЭВМ применяются три режима ВВ:

- программный ВВ (называемый также программно - управляемым или

нефорсированным ВВ) - только программный режим;

- ВВ по прерываниям (форсированный ВВ) - комбинированный

программно-аппаратный режим;

- прямой доступ к памяти - только аппаратный режим.

Первый из них характеризуется тем, что инициирование и управление ВВ

осуществляются процессором, а периферийные устройства играют

сравнительно пассивную роль и сигнализируют только о своем состоянии, в

частности о готовности к операциям ВВ. Во втором режиме ВВ инициируется

не процессором, а периферийным устройством, генерирующим специальный

сигнал прерывания.

Реагируя на этот сигнал готовности устройства к передаче данных,

процессор переключается на подпрограмму обслуживания устройства,

вызвавшего прерывание. Действия, выполняемые этой подпрограммой,

определяются пользователем, а непосредственными операциями ВВ

управляет процессор.

Наконец, в режиме прямого доступа к памяти, когда пропускной

способности процессора недостаточно, действия процессора

приостанавливаются, он отключается от системной шины и совершенно не

участвует в передачах данных между основной памятью и быстродей-

ствующим периферийным устройством.

Рассмотрение ВВ усложняется тем, что в каждой ЭВМ применяются

особенные способы ВВ, различные конфигурации схем и типы устройств. Но

можно выделить следующие общие принципы, характерные для большинства

машин:

- передача ВВ осуществляется отдельными битами (последовательный

интерфейс) либо полными словами (параллельный интерфейс);

- при наличии нескольких периферийных устройств необходимо

генерировать специальный сигнал выбора, идентифицирующий активное

устройство;

- ВВ в медленнодействующих устройствах обычно организуется по

прерываниям, а в быстродействующих - на основе прямого доступа к памяти;

- операции ВВ инициируются только в том случае, если периферийное

устройство готово к ним;

- управляющие сигналы ВВ от процессора синхронизируются с

сигналами генератора тактовых сигналов.

Собственно передача данных осуществляется либо по общей системной

шине, либо по специальной шине ВВ. Иногда отдельная быстродействующая

шина ВВ выделяется только для передач с прямым доступом к памяти.

Подключение периферийных устройств к системной шине осуществляется

посредством электронных схем, называемых интерфейсами ВВ. Они

согласуют уровни электрических сигналов, а также преобразуют машинные

данные с любой формат, необходимый устройству, и наоборот. Обычно

интерфейсы ВВ конструктивно оформляются вместе с процессором и

основной памятью в виде интерфейсных плат (карт).

В процессе ВВ передается информация двух видов:

- управляющие данные (слова);

- собственно данные, или данные - сообщения.

Управляющие данные от процессора, называемые также командными

словами или приказами, инициируют действия, не связанные

непосредственно с передачей данных, например запуск устройства,

запрещение прерываний и т. п. Управляющие данные от периферийных

устройств называются словами состояния; они содержат информацию об

определенных признаках, например о готовности устройства к передаче

данных, о наличии ошибок при обмене и т. п. Состояние обычно

представляется в декодированной форме - один бит для каждого признака.

Группа бит, к которым процессор обращается в операциях ВВ, образует

регистр (порт) ВВ. Таким образом, наиболее общая программная модель

периферийного устройства, которое может выполнять ввод и вывод, содержит

четыре регистра ВВ:

- регистр выводимых данных (выходной порт);

- регистр вводимых данных (входной порт);

- регистр управления;

- регистр состояния (рис.23).

Системная магистраль ЭВМ

Регистр

ввода

INREG

Регистр

вывода

OUTREG

Регистр

состояния

STREG

Регистр

управления

CREG

Устройство

ввода - вывода

Рис.23 Общая программная модель периферийного устройства

Каждый из этих регистров должен иметь однозначный адрес, который

идентифицируется дешифратором адреса. На рис.23 показаны символические

адреса регистров. В зависимости от особенностей устройства общая модель

конкретизируется, например, отдельные регистры состояния и управления

объединяются в один регистр, в устройстве ввода (вывода) имеется только

регистр ввода (вывода), для ввода и вывода используется двунаправленный

порт.

Подключение регистров ВВ к шине данных осуществляется с помощью

логических схем, формирователей с открытым коллектором и

тристабильных буферов.

Для упрощения дешифрирующей логики в системах с небольшим числом

устройств применяется линейный выбор, когда адреса регистров ВВ

представляются кодами, содержащими только по одной единице.

КОП (IN) REG PORT

КОП (OUT) PORT REG

Рис.24 Общий формат команд ввода - вывода

Непосредственные действия, связанные с вводом - выводом реализуются

одним из рассмотренных ранее двух способов, различающихся адресацией

регистров ВВ. Изолированный ВВ предполагает наличие специальных

команд ВВ, общий формат которых показан на рис. 24. При выполнении

команды ввода IN содержимое адресуемого входного порта PORT передаётся

во внутренний регистр REG процессора, а при выполнении команды вывода

OUT содержимое регистра REG передаётся в выходной порт PORT. В

процессоре могут быть также и другие команды, относящиеся к ВВ и

связанные с проверкой и модификацией содержимого регистра управления и

состояния.

Как указывалось ранее, видно, что в этом способе адресное пространство

портов ввода и вывода изолировано от адресного пространства памяти, т. е. в

ЭВМ могут быть входной порт, выходной порт и ячейка памяти с

одинаковыми адресами.

Разделение адресных пространств осуществляется с помощью

управляющих сигналов, относящихся к системам ВВ и памяти.

В ЭВМ, рассчитанной на изолированный ВВ, нетрудно перейти к ВВ,

отображенному на память. Если, например, адресное пространство памяти

составляет 64К байт, а для программного обеспечения достаточно 32К байт, то

область адресов от 0 до 32К-1 используется для памяти, а область от 32K до

64К-1 используется для ВВ. При этом признаком, дифференцирующим

обращения к памяти и портам ВВ, становится старший бит А

адреса. В

операционных системах ЭВМ имеется набор подпрограмм (драйверов ВВ),

управляющих операциями ВВ стандартных периферийных устройств.

Благодаря им пользователь может не знать многих особенностей

периферийных устройств и интерфейсов ВВ, а применять только чёткие про-

граммные протоколы.

Если к ЭВМ подключено несколько идентичных устройств, например

видеотерминалов, каждое из них имеет свой интерфейс ВВ. Аппаратные

средства интерфейсов одинаковы, но регистры ВВ имеют различные адреса.

Вместо отдельных драйверов ВВ для каждого устройства обычно

используется разделённый драйвер, который обслуживает все идентичные

устройства. Как параметры ему передаются базовый адрес таблицы адресов

регистров ВВ и смещение (индекс), определяемое конкретным

обслуживаемым устройством.