Файл: Основы технической эксплуатации ЭЦВМ..pdf

Ценным быстродействием переключающих элементоіі ЭЦВМ, конечным временем передачи сигналов (0,3X X 106 км/ч), трудностями проектирования, производства

иотладки вычислительных машин, состоящих примерно из 10s—1010 элементов. Поэтому наряду с созданием ,высокопроизводительиых ЭЦВМ изыскиваются пути повы­ шения эффективности использования оборудования вы­ числительных машин. Решение этой проблемы возможно как за счет создания более гибких структур ЭЦВМ, так

иза счет максимального временного уплотнения режимов работы всех устройств машины. Создание гибких струк­ тур ЭЦВМ, оперативно приспосабливающихся к различ­ ным задачам или к отдельным этапам одной задачи, воз­ можно на основе модульного построения машины. Под модулем понимается автономное, логически завершенное и конструктивно оформленное устройство, которое вы­ полняет определенные функции в вычислительном про­ цессе, например: модуль оперативного запоминающего устройства, модуль вычислительного устройства (про­ цессор) *, модуль устройства обмена и т. д.

Модульный принцип построения привел к созданию

мультипроцессорных ЭЦВМ с развитой системой обмена между вычислительной частью и большим количеством разнотипных внешних объектов12. В вычислительных ма­ шинах этого типа возможен мультипрограммный режим обработки, т. е. одновременное выполнение нескольких независимых программ.

В ЭЦВМ, характеризуемой отмеченными выше при­ знаками, высокая производительность достигается путем:

одновременного выполнения нескольких программ или ветвей одной программы;

параллельного выполнения счета и обмена; использования общей памяти для всех процессоров; организации совмещенного во времени обмена между

вычислительной частью и несколькими разнотипными ВО; использования рационально выбранного списка ко­

манд и др.

1 Процессором вычислительной машины принято называть устройство или группу устройств ЭЦВМ, которые совмещают в себе функции АУ и УУ.

2 К внешним объектам (ВО) относятся устройства ввода—выво­ да информации, устройства внешней памяти, пульты' операторов, аппаратура передачи данных, аппаратура отображения и другие вы­ числительные машины.

30

В отличие от рассмотренной в первой части этого па­ раграфа ЭЦВМ с линейной (последовательной) органи­ зацией выполнения команд в многопроцессорной вы­ числительной машине с развитой системой обмена используются специфические методы организации вычисли­ тельного процесса. В качестве программного средства ор­ ганизации вычислительного процесса используется управ­ ляющая программа, которая определяет порядок приема и выполнения рабочих программ с автоматическим рас­ пределением их по зонам памяти, обеспечивает непрерыв­ ную загрузку процессоров в мультипрограммном режиме работы, организует обмен информацией между вычисли­ тельной частью и внешними объектами, следит за рабо­ той системы контроля и т. д. Для того чтобы управляю­ щая программа не была очень громоздкой и сложной, ряд управляющих функции, отмеченных выше, выпол­ няется с помощью аппаратурных средств. К аппаратур­ ным средствам можно отнести: систему прерываний-; си­ стему динамического распределения и -защиты памяти; систему обмена с ВО; систему контроля.

На рис. 1-5 представлена структурная схема ЭЦВМ высокой производительности.

Вычислительная часть предназначена для временного хранения рабочих программ, исходных данных и проме­ жуточных результатов вычислений, а также реализации непосредственного счета и представляет собой сочетание одного или нескольких процессоров.и оперативных за­ поминающих устройств. Оперативная память вычисли­ тельной части ЭЦВМ состоит из сверхоперативной памя­ ти малого объема, являющейся составной частью про­ цессоров; общего оперативного ЗУ большого объема, доступного для любого процессора.

В ходе вычислительного процесса могут возникать различные ситуации, которые требуют прекращения сче­ та, анализа причин их появления и принятия решений. С целью исключения непроизводительных затрат времени на анализ таких ситуаций используется система преры­ ваний.

Система прерываний представляет собой совокупность программно-аппаратных средств, способных обеспечить непрерывную работу ЭЦВМ путем автоматического пре­ рывания рабочей программы, передачи управления на подпрограмму анализа сложившейся ситуации и приня­ тия мер, к которым можно отнести продолжение или пе-

31

резапуск программы; прекращение счета по данной ра­ бочей 'программе для организации обмена с ВО спараллельной загрузкой процессора для решения другой задачи; перевод машины в режим диагностирования воз­ никшей неисправности и автоматическая .замена отказав­ шего модуля ЭЦВМ резервным.

Рис. 1-5. Структурная схема ЭЦВМ высокой производительности.

На рис. 1-6,а и б представлены аппаратная и про­ граммная составляющие системы прерываний, работа которых дополняет друг друга.

Все запросы на прерыв-ание рабочей программы неза­ висимо от причины их появления поступают на схему фиксации и обзора сигналов прерывания. Эта схема вы­ рабатывает сигнал Прерывание, если разрешена работа по поступившему запросу. Разрешения на прерывания формируются заранее программистом и заносятся в спе­ циальный регистр (регистр-маска). В процессе решения

32

задачи содержимое этого регистра корректируется авто­ матически.

По сигналу Прерывание программная часть системы обеспечивает запоминание необходимых сведений для организации возврата к прерванной программе. Для это­ го осуществляется запись номера и результата, выполне­ ния команды, после которойпроизошло прерывание. Запись этих данных осуществляется в выделенную об­ ласть оперативной памяти.

После окончания работы по сигналу Прерывание осу­ ществляется восстановление содержимого регистра номе­ ра ^команд (PNK) и регистра сумматора (PS) путем переписи информации, хранящейся в фиксированных ячейках оперативной памяти. Устройство управления про­ должает выполнять прерванную программу. При одно­ временном поступлении двух и более запросов на пре­ рывание схема управления и синхронизации организует очередность их выполнения.

Система динамического распределения и защиты па­ мяти позволяет более эффективно использовать внутрен­ нюю память ЭЦВМ, особенно в режиме мультипрограм­ мной работы.

Осуществление динамического распределения памяти привело к ряду изменений как в процессе подготовки и обеспечения выполнения программ, так и в структурной организации памяти. Оперативная память ЭЦВМ разби­ вается на равные по величине линейные участки — физи­ ческие страницы. В этом случае программы и исходные данные после ввода их в память ЭЦВМ компонуются в блоки такогегже размера — математические страницы. В связи с тем, что размеры страниц влияют на среднюю скорость обработки программ, их выбирают исходя из целевого назначения ЭЦВМ. Как правило, размеры стра­ ниц составляют 1 024, 512 или 64 ячейки. Для установ­ ления адресного соответствия между физическими и ма­ тематическими страницами в механизме адресации ис­ пользуются базовые регистры. Содержащийся в них базовый адрес служит указателем места нахождения нужного массива. При этом физический адрес образуется добавлением базового адреса к математическому. Смена содержимого базового регистра позволяет производить перемещение в памяти массивов программы. Применение базовых регистров позволяет различным программам об­ ращаться по различным математическим адресам к од-

34

мим и тем же физическим ячейкам. Этим достигается возможность использования общих массивов, распреде­ ленных в физической памяти при работе нескольких про­ грамм.

Управление распределением памяти обеспечивает хра­ нение в ОЗУ необходимых математических страниц. В связи с тем, что объем ОЗУ ограничен, часть матема­ тических страниц хранится во внешней памяти (на маг­ нитных барабанах, дисках и пр.). Для обеспечения вычи­ слительного процесса отсутствующие математические страницы пересылаются из внешней памяти в ОЗУ. Та­ ким образом, динамическое распределение включает два этапа: запись необходимых страниц в ОЗУ и удале­ ние из оперативной памяти ненужных. Этап записи со­ стоит в отыскании математических страниц во внешней памяти и пересылки их в свободные физические страни­ цы. Второй этап заключается в удалении математических страниц из ОЗУ для освобождения физических страниц. Динамическое распределение реализуется программно­ аппаратным путем.

Программное обеспечение, управляющее динамиче­ ским распределением, состоит из программы поиска нуж­ ной математической страницы во внешней памяти (при отсутствии этой страницы в ОЗУ) и пересылки ее в сво­ бодную физическую страницу, а также программы удале­ ния страницы.

Программа удаления страницы из ОЗУ предполагает учет статистики использования страниц.

К. аппаратурным средствам динамического распреде­ ления относятся: устройство приписки адресов, схемы за­ щиты математических и физических адресов, устройство, обеспечивающее сбор статистической информации, схе­ мы, сокращающие время формирования физических ад­ ресов.

За счет ошибок в программах и неисправностей маши­ ны при мультипрограммной работе возможно взаимное влияние пропрам'М. Для уничтожения взаимного влия­ ния программ используются средства защиты памяти. Они позволяют защитить: управляющую программу от влияния рабочих программ; общие для всех программ массивы памяти; участки памяти, временно нанимаемые работающей программой.

Способ защиты заключается в запрещении обраще­ ния к участку ОЗУ, ограниченному двумя предельными

величинами: адресом начальной ячейки и размером участка либо начальным и конечным адресами защищае­ мого участка. Эти предельные величины хранятся в спе­ циальных регистрах и при каждом обращении к ОЗУ их значения сравниваются с отрабатываемыми адресами команд. Обращение по адресу, значение которого соот­ ветствует запрещенному участку, приводит к останову машины либо прерыванию ее работы с разбором возник­ шей ситуации. Содержимое этих регистров устанавли­ вается управляющей программой.

При страничной организации вопросы защиты памяти упрощаются, так как контроль адресов осуществляется в рамках страниц. Каждая математическая страница снабжается специальным разрядом защиты. Содержимое этого разряда указывает на запрет пли разрешение об­ ращения к странице. Совокупность этих разрядов обра­ зует регистр защиты страниц. Занесение в соответствую­ щие разряды этого регистра признаков защиты страниц производит управляющая программа. Для осуществления более гибкой защиты могут использоваться два разряда регистра на каждую страницу. При наличии двух раз­ рядов возможны четыре комбинации:

00 — обращение к странице разрешено без ограниче­ ний;

01— разрешено обращение только для считывания, запись запрещена;

10 — разрешается считывание операндов, запись и считывание команд запрещены;

11 — запрещены все обращения.

Нарушение условий защиты вызывает прерывание программы.

Для защиты физических страниц используется так называемый принцип «ключа и замка». Каждая физиче­ ская страница снабжается регистром защиты — «зам­ ком». В управляющем слове каждой программы задает­ ся условный код — «ключ». Несоответствие «ключа» и «замка» рассматривается как нарушение защиты памяти и вызывает прерывание программы.

На рис. 1-7 приведена структурная схема организации распределения и защиты памяти в ЭЦВМ ІВМ-360.

Номера математических страниц заносятся в схему приписки управляющей программой. Одновременно с вводом их в ОЗУ устанавливаются необходимые зна­ чения регистра защиты математических страниц и зам-

36

ков физических страниц. В случае отсутствия необходи­ мой математической страницы при обращении к ОЗУ происходит прерывание выполняемой программы. Управ­ ляющая программа организует поиск математической страницы во внешней памяти и перепись ее в свободную

Устройство

управления

ты памяти в ЭЦВМ ІВМ-360.

физическую страницу ОЗУ. На основе анализа статисти­ ческих данных об использовании страниц определяется страница, вероятность использования которой наимень­ шая, и ее содержимое переписывается во внешнюю па­ мять. В результате этого освобождается физическая

37