Архітектура комп'ютерів

Приклад. Нехай одночасно виникли  три запити, що відповідають трьом  рівням переривання – № 1, № 2, № 3. Нехай по пріоритеті перевага віддається запиту з меншим номером. Припустимо, що пріоритет між програмами, що переривають, відповідним зазначеним рівням, встановлений у зворотному порядку. Тоді відповідно до  пріоритетів між запитами спочатку процесор приступає до виконання програми № 1, але, як тільки пошук запитів переривання відновиться, запит № 2 перерве виконання програми № 1 і запустить програму № 2. Аналогічно остання перерветься програмою № 3, що і виконується першої.

Таким чином, пріоритет між запитами переривання потрібний лише для  вибору одного запиту з багатьох, а  пріоритет між  програмами, що переривають, визначає фактичний порядок виконання програм.

Тому що ступінь важливості програм, їхній обсяг, необхідні ресурси  і т.д.  можуть змінюватися в  ході обчислювального процесу, те тільки пріоритети між запитами переривання  можуть бути строго зафіксовані. Пріоритети ж між  програмами, що переривають, повинні бути програмно-керованими.

Маска переривання. Маска - шаблонова послідовність знаків, що керує чи збереженням виключенням окремих частин іншої послідовності знаків. У найпростішому виді маска – це двоичное число, кожен розряд якого відповідає одному з рівнів переривання і дозволяє (наприклад, стан "1") чи забороняє (стан "0") переривання від запитів, що відносяться до даного рівня. Керування пріоритетом знаходиться цілком у розпорядженні програми. Для кожної  програми, що перериває, може бути установлена своя маска, що вказує, які програми здатні її переривати. Кожен розряд маски відповідає окремій програмі. Маски всіх програм зберігаються в пам'яті. Якщо яка-небудь програма викликається для виконання, то її маска засилається в регістр маски. Фізично маска реалізується звичайно у виді триггерного регістра, стан якого можна змінити програмним шляхом. При формуванні маски стан "1" одержують лише ті тригери, що відповідають програмам з більш високим, чим у даної програми, пріоритетом.

У принципі нулі й одиниці в масці  можуть чергуватися в довільному порядку, однак відсутність упорядкованості  спричиняє   додаткові труднощі:

• визначення пріоритету відповідної програми;
• обхід ситуації "зациклення пріоритетів".

При створенні ситуації "зациклення пріоритетів" відбувається почергове виконання декількох команд кожної програми, що, природно, різко збільшує час обслуговування і знижує ефективність СПП.

Іноді створюються "групові" маски, при яких кожен розряд впливає  на кілька рівнів одночасно. Рівні переривань, що керуються одним розрядом маски переривання, утворять "клас переривання". Вищим ступенем цієї ієрархії є головний тригер переривання, що виключає (чи включає) усю СПП цілком.

У випадку надходження запитів, заборонених маскою переривання, СПП або запам'ятовує запит, щоб при знятті заборони задовольняти його, або ігнорує запит, якщо його задоволення через час t може негативно вплинути на хід обчислювального процесу. Можливі й інші реакції СПП. У такому випадку в масці на один рівень приділяється більш одного біта.

1.3.4. Організація повернення до  перерваної програми

Для здійснення повернення до перерваної програми необхідно цілком відновити  її початковий стан. Інформацію, яку  варто зберігати при перериванні  програми, можна розділити на основну (який запам'ятовується завжди) і додаткову (необхідність запам'ятовування якої залежить від змісту  програми, що перериває,).

В основну інформацію можна включити:

• уміст лічильника адреси команд, тобто  адреса першої невиконаної команди перерваної програми;
• тригер стану системи: "робоче" чи стан "чекання";
• маска переривання, установлювана кожною новою програмою;
• код переривання – двоичное число, окреме для кожного рівня, що поєднує переривання від декількох джерел, по якому програма, що перериває, пізнає конкретне джерело переривання.

Тому що код переривання звичайно знаходиться в загальному для  всіх рівнів регістрі, то, якщо попередній код цілком себе не вичерпав (а це майже завжди так), із приходом нової  програми, що перериває, його треба  запам'ятати.

Зазначена інформація утворить так  називане "слово стану програми" (ССП) (іноді його називають вектором стану програми), що зберігається в  деякім полі пам'яті комп'ютера. У  момент переривання старе ССП, що відноситься до перерваної програми, заміняється ССП  програми, що перериває, а наприкінці переривання старе ССП відновлюється  програмою, що перериває. Для прискорення процесу заміни ССП цю процедуру виконують звичайно апаратним шляхом.

Зауваження. У період збереження і  відновлення ССП переривання будь-якого рівня заборонені.

До додаткової інформації відносять уміст:

• арифметичних регістрів;
• індексних регістрів;
• інших програмно-доступних регістрів, загальних для всіх програм, і т.п..

Збереження додаткової інформації збільшує час обслуговування. Тому програмісту треба ретельно продумати, що з додаткової інформації варто запам'ятовувати в кожнім конкретному випадку. Більш того, момент переривання варто вибирати так (якщо це можливо), щоб додаткової інформації для збереження було якнайменше  .

1.3.5. Особливості системи переривання в сучасних ЕОМ

Найбільше поширення в комп'ютерах одержали шість рівнів переривання:

• уведення-висновок;
• звертання до супервізора;
• програмний збій;
• зовнішні переривання;
• переривання повторного пуску;
• переривання від схем контролю.

Переривання від уведення-висновку, що йдуть від каналів і периферійних пристроїв, сигналізують системі про  нормальний (чи ненормальному) закінченні операції.

Переривання при звертанні до супервізора  дозволяє користувачу направляти роботу супервізора на реалізацію потрібних дій (виділити додаткову область пам'яті, запустити операцію введення-висновку і т.п. ).

Програмний збій виникає в результаті різного типу помилок у програмі: переповнення розрядної сітки, порушення  захисту, поява привілейованої команди в стані "задача" і т.п..

Зовнішні переривання походять від зовнішніх стосовно   комп'ютера  об'єктів: від оператора шляхом натискання визначеної кнопки, від датчика часу і т.п..

Переривання повторного пуску  – це засіб, що дозволяє  чи оператору якому-небудь процесору викликати виконання необхідної програми.

Переривання від схем контролю сигналізує про несправність устаткування і  забезпечує її локалізацію і виправлення.

Кожен рівень переривання може обслуговувати  кілька причин. Конкретна причина  переривання усередині рівня визначається програмним шляхом по "коду переривання" і деякої додаткової інформації, що запам'ятовується щораз  в оперативній пам'яті при виникненні переривання. ЯК приклад  додаткової інформації може бути слово стану каналу при перериваннях від уведення-висновку.

Кожному рівню переривань відповідають два ССП: нове і старе, котрі зберігаються в спеціальних полях реальної пам'яті. Загальне призначення ССП  – керування послідовністю вибірки команд, запам'ятовування й ідентифікація поточного стану апаратних засобів щодо програми, виконуваної у фіксований момент часу, і деякі інші функції. Якщо ми бажаємо частково змінити стан процесора, то необхідно завантажувати тільки необхідну частину нового ССП. Однак при перериваннях будь-якого рівня відбувається повна зміна вмісту старого ССП на нове, котре стає поточним. Якщо наприкінці  програми, який було передане керування по перериванню, коштує команда ВОССТАНОВИТЬ СТАРЕ ССП, то процесор відновлює стан, що передує перериванню, і перервана програма продовжує своє виконання.

У ході обчислювального процесу  одночасно може виникнути кілька подій, що викликають переривання. Одночасно  з'явилися запити на переривання  задовольняються в наперед установленому  порядку, відповідно до  їхніх пріоритетів. Така ж ситуація спостерігається і з пріоритетами між  програмами, що переривають. Найчастіше  переривання від схем контролю має найвищий пріоритет.

Загальна схема обробки переривань дана на рис. 6.5.

Порядок пріоритету може бути змінений програмним шляхом через зміну маски переривання. Найчастіше  стан "1" розряду маски дозволяє переривання даного рівня, а в стані "0" забороняє переривання.

 

ПРО наявність своїх оброблювачів операційна система повинна знати  заздалегідь. Іноді це питання зважується під час генерації системи.

 

 

 

2. Організація пам'яті комп'ютера

2.1. Загальні зведення, визначення  і класифікація

Пам'яттю ЕОМ називається сукупність пристроїв, що служать для запам'ятовування, збереження і видачі інформації. Окремі пристрої, що входять у цю сукупність, називають запам'ятовуючими  чи пристроями пам'ятями того чи іншого типу.

Обоє ці терміна в даний час  стали майже синонімами. Однак  термін "запам'ятовуюче пристрій" (ЗУ) звичайно вживають, коли мова йде  про принцип побудови деякого  пристрою пам'яті (наприклад, напівпровідникові ЗУ, ЗУ на магнітних дисках і т.д.), а термін "пам'ять" – коли хочуть підкреслити виконувану пристроєм пам'яті логічну чи функцію місце розташування в складі устаткування ЕОМ (наприклад, оперативна пам'ять, зовнішня пам'ять і т.д.).

Продуктивність і обчислювальні  можливості ЕОМ у значній мірі визначаються складом і характеристиками її ЗУ. У складі ЕОМ використовується одночасно кілька типів ЗУ (кілька типів пам'ятей), що відрізняються  принципом дії, характеристиками і  призначенням.

Основними операціями в пам'яті в загальному випадку є занесення інформації в пам'ять – запис і вибірка інформації з пам'яті – зчитування. Обидві ці операції називаються звертанням до пам'яті, чи, докладніше, звертанням при зчитуванні і звертанням при записі.

При звертанні до пам'яті виробляється  чи зчитування запис деякої одиниці  даних – різної для пристроїв різного типу. Такою одиницею може бути, наприклад, байт, машинне чи слово блок даних.

Найважливішими характеристиками окремих пристроїв пам'яті (запам'ятовуючих пристроїв) є ємність пам'яті і швидкодія.

Ємність пам'яті визначається максимальною кількістю даних, що можуть у ній  зберігатися. Ємність виміряється  в двоичных одиницях (бітах), машинних словах, але здебільшого  в байтах (1 байт=8 біт), при цьому часто ємність пам'яті виражають через число ДО= 1024: Кбит (кілобит), Кслов (кіло-слів) чи Кбайт (кілобайт), при цьому 1024 Кбайт позначають як 1 Мбайт (мегабайт).

Швидкодія пам'яті визначається тривалістю операції звертання, тобто  часом, затрачуваним на пошук потрібної одиниці інформації в пам'яті і на її зчитування (час звертання при зчитуванні), чи часом на пошук місця в пам'яті, що призначається для збереження даної одиниці інформації, і на її запис у пам'ять (час звертання при записі).

У деяких пристроях пам'яті зчитування інформації супроводжується її руйнуванням (стиранням). У такому випадку цикл звертання повинний містити операцію відновлення (регенерації) ліченої інформації на колишнім місці в пам'яті.

У залежності від реалізованих у  пам'яті операцій звертання розрізняють:

а) пам'ять з довільним звертанням (можливі зчитування і запис даних  у пам'ять) – RAM; б) пам'ять тільки для зчитування інформації ("постійна" чи "однобічна") – ROM.

Запис інформації в постійну пам'ять  виробляється в процесі її чи виготовлення настроювання.

По способі організації доступу  розрізняють пристрою пам'яті:

• з безпосереднім (довільним) доступом;
• із прямим (циклічним) доступом;

• з послідовним доступом.

У пам'яті з безпосереднім (довільним) доступом час доступу, а тому і цикл звертання не залежать від місця розташування ділянки пам'яті, з якого виробляється  чи зчитування в який записується інформація. У більшості випадків безпосередній доступ реалізується за допомогою електронних (напівпровідникових) ЗУ. Число розрядів, що зчитуються чи записуваних у пам'яті з безпосереднім доступом паралельно в часі за одну операцію звертання, називається шириною вибірки.

У двох інших типах пам'яті використовуються більш повільні електромеханічні процеси. У пристроях пам'яті з прямим доступом, до яких відносяться дискові пристрої, завдяки безупинному обертанню носія інформації можливість звертання до деякої ділянки носія для  чи зчитування запису циклічно повторюється.

У пам'яті з послідовним доступом виробляється послідовний перегляд ділянок носія інформації, поки потрібна ділянка носія не займе деяке вихідне положення. Характерним прикладом є ЗУ на магнітних стрічках. Час доступу може в несприятливих випадках розташування інформації досягати декількох хвилин.

Запам'ятовуючі пристрої розрізняються також по виконуваним в ЕОМ функціям, що залежать зокрема , від місця розташування ЗУ в структурі ЕОМ.

Пам'ять ЕОМ організується у  виді ієрархічної структури запам'ятовуючих  пристроїв, що володіють різними  швидкодією і ємністю. У загальному випадку ЕОМ містить сверхоперативную пам'ять (СОП) чи місцеву пам'ять, оперативну чи основну пам'ять (ОП), пам'ять із прямим доступом на магнітних дисках, пам'ять з послідовним доступом на магнітних стрічках. Порядок перерахування пристроїв відповідає убуванню їхньої швидкодії і зростанню ємності. Ієрархічна структура пам'яті дозволяє економічно ефективно сполучити збереження великих обсягів інформації зі швидким доступом до інформації в процесі обробки.