Структурно-функциональная организация ЭВМ

Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные. Центральные устройства - полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением.

В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ). В состав системной магистрали входят регистры защелки, в которых запоминается передаваемая инфор-мация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к системной магистрали, и др.

Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

В состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции.

Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др.

Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой

Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается операционной системой в основную память. Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд. Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд (в котором всегда хранится адрес очередной команды) выставляется на шину адреса системной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда: выборка из ОП, которая воспринимается основной памятью. Получив с шины управления системной магистрали команду, основная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину данных, а на шину управления выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шине управления сигнал об окончании работы ОП, вводит число с шины данных на внутреннюю магистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в регистр команд.

В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции, и для определения адреса следующей команды (который сразу заносится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной магистрали (СМ) и сопровождается сигналом выборки из ОП на шине управления. Выбранная из ОП информация через шину данных поступает на внутреннюю магистраль МП, с которой вводится в арифметико-логическое устройство (АЛУ). На этом заканчивается подготовка МП к выполнению операции и начинается ее выполнение в АЛУ.

Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных, на шину адреса ставится адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать, а на шину управления - команда запись в ОП. Получив с шины управления команду, ОП считывает адрес и данные с системной магистрали, организует запись данных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на шину управления сигнал, обозначающий, что число записано. Процессор, получив этот сигнал, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду выборка из ОП на шине управления и т.д.

В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполняться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу. Если же команда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, центральный процессор (ЦП) передает ее соответствующему устройству. Процесс передачи команды другому устройству предусматривает следующие действия: ЦП выставляет на шину адреса СМ адрес интересующего его устройства. По шинам управления передается сигнал поиска устройства. Все устройства, подключенные к системной магистрали, получив этот сигнал, читают номер устройства с шины адреса и сравнивают его со своим номером. Устройства, для которых эти номера не совпадают, на эту команду не реагируют. Устройство с совпавшим номером вырабатывает сигнал отклика по шине управления.

ЦП, получив сигнал отклика, в простейшем случае выставляет имеющуюся у него команду на шину данных и сопровождает ее по шине управления сигналом "передаю команду". Получив сигнал о приеме команды, ЦП переходит к выполнению очередной своей команды, выставляя на шину адреса содержимое счетчика команд.

В более сложных случаях, получив сигнал, что устройство откликнулось, прежде чем передавать команду, ЦП запрашивает устройство о его состоянии. Текущее состояние устройства закодировано в байте состояния, который откликнувшееся устройство передает процессору через ШД системной магистрали. Если устройство включено и готово к работе, то байт состояния - нулевой. Наличие в нем единиц свидетельствует о нештатной ситуации, которую ЦП пытается проанализировать и в необходимых случаях извещает оператора о сложившейся ситуации.

Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением его технического состояния, обменом командами и информацией. Эта логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получила название "интерфейс ввода-вывода".

Для различных устройств могут использоваться разные логические последовательности действий, поэтому интерфейсов ввода-вывода может в одной и той же ЭВМ использоваться несколько. Если их удается свести к одному, универсальному, то такой интерфейс называется стандартным. В IBM PC есть три стандартных интерфейса для связи ЦП с внешними устройствами: параллельный (типа Centronics) и два последовательных (типа RS-232 и USB).

Интерфейсы постоянно совершенствуются, поэтому с появлением новых ЭВМ, новых внешних устройств и даже нового программного обеспечения появляются и новые интерфейсы. Так, в программном обеспечении, разработанном ведущими фирмами (в том числе фирмой Microsoft) все шире используется новый интерфейс "Plug and Play" ("Включи и играй"), который предназначен для облегчения системной настройки ЭВМ при подключении новых устройств к машине. Этот интерфейс позволяет подключить с помощью кабеля новое устройство, а после включения ЭВМ ее программное обеспечение автоматически определяет состав подключенных устройств, их типы и настраивает машину на работу с ними без вмешательства системного оператора.

Если при обращении ЦП к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы ЦП возможно только после завершения операции ввода-вывода, то ЦП, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания и находится в нем до тех пор, пока внешнее устройство не сообщит ему об окончании обмена данными. Это приводит к простою большинства устройств ЭВМ, так как в каждый момент времени может работать только одно из них. Такой режим работы получил название однопрограммного - в каждый момент времени все устройства находятся в состоянии ожидания, и только одно устройство выполняет основную (и единственную) программу.

Для ликвидации таких простоев и повышения эффективности работы оборудования внешние устройства сделаны автономными: получив от ЦП необходимую информацию, они самостоятельно организуют свою работу по обмену данными. Процессор же, запустив внешнее устройство, пытается продолжить выполнение программы. При необходимости (если встретятся соответствующие команды) он может запустить в работу несколько других устройств (так как внешние устройства работают значительно медленнее процессора). Если же ему приходится переходить в режим ожидания, то, пользуясь тем, что в ОП может одновременно находиться не одна, а несколько программ, ЦП переходит к выполнению очередной программы. При этом создается ситуация, когда в один и тот же момент времени различные устройства ЭВМ выполняют либо разные программы, либо разные части одной и той же программы. Такой режим работы ЭВМ называется многопрограммным.

Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

Организация процессов ввода, преобразования и отображения результатов в ЭВМ относится к сфере системного программного обеспечения. Это сложные процессы, которые чаще всего делаются "прозрачными", т.е. незаметными для пользователя. Один из них - реализация задания пользователя: профессиональный пользователь (программист) пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанное задание (программа) представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими операционной системе ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Если программа пишется на алгоритмическом языке, то управляющие предложения - на языке управления операционной системой (в Windows всех версий это скрипты, оформляемые в виде командных файлов).

Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой - транслятором. В качестве транслятора может выступать компилятор, или интерпретатор (рис.16.1).

Рис. 16.1. Реализация задания пользователя

Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработки, поскольку полученная машинная программа не готова к исполнению по двум причинам. Во-первых, она содержит неразрешенные внешние ссылки (т.е. обращение к программам, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы - например, к стандартным программам алгоритмического языка, таким как извлечение корня квадратного, вычисление тригонометрических функций и т.д.). Во-вторых, объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах: каждый объектный модуль начинается с адреса 0h, тогда как для исполнения программа должна быть "привязана" к конкретным физическим адресам основной памяти.

Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора (которые могут быть написаны в виде исходных либо в виде объектных модулей) и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ), который помещается в соответствующую библиотеку программ - библиотеку загрузочных модулей (БЗМ). В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. он содержит все необходимые стандартные программы, но привязки к памяти у загрузочного модуля нет.

Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит загрузочный модуль из библиотеки загрузочных модулей (обычно хранящейся на магнитном носителе) в основную память и во время этого переноса корректирует адреса, учитывая, с какого адреса основной памяти размещается загрузочный модуль. После перемещения загрузочного модуля в основную память программа выборки инициирует ее выполнение.

Представление машинной программы в виде исходных, объектных и загрузочных модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы. Например, если по одной и той же программе необходимо много раз производить расчеты, то неэффективно тратить каждый раз время на трансляцию и редактирование программы - ее нужно оформить в виде загрузочного модуля и хранить в соответствующей библиотеке. При обращении к такой программе сразу будет вызываться программа выборки для загрузки соответствующего модуля (а этапы компиляции и редактирования связей будут опускаться), и время на выполнение программы существенно сократится.

Если же программа только отлаживается или после каждого просчета ее нужно будет модернизировать, то получение загрузочного модуля и обращение к программе выборки будут лишними операциями. Для их обхода вместо редактора связей может быть применен загрузчик - программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для исполнения. Но при использовании загрузчика многократные просчеты по программе проводить невыгодно, так как каждый раз приходится выполнять лишние операции редактирования связей.

Особенности управления основной памятью ЭВМ

Алгоритмы распределения, использования, освобождения ресурсов и представления к ним доступа предназначены для наиболее эффективной организации работы всего комплекса устройств ЭВМ. Рассмотрим их на примере управления основной памятью.

Для выполнения программы при ее загрузке в основную память ей выделяется часть машинных ресурсов - они необходимы для размещения команд, данных, управляющих таблиц и областей ввода-вывода, т. е. производится трансляция адресного пространства откомпилированной программы в местоположение в реальной памяти.

Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом (особенно если он работает на языке, близком машинному), но может производиться и операционной системой.

Если выделение ресурсов производится перед выполнением программы, такой процесс называется статическим перемещением, в результате которого программа "привязывается" к определенному месту в памяти вычислительной машины. Если же ресурсы выделяются в процессе выполнения программы, это называется динамическим перемещением, в этом случае программа не привязана к определенному месту в реальной памяти. Динамический режим можно реализовать только с помощью операционной системы.

При статическом перемещении могут встретиться два случая.

Реальная память больше требуемого адресного пространства программы (рис.16.2):

Рис. 16.2. Загрузка программы в реальную память

В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса.

Загружаемая программа А является абсолютной программой, так как никакого изменения адресов в адресном пространстве, подготовленном компилятором, при загрузке в основную память не происходит - программа располагается с адреса реальной памяти 0h.

Реальная память меньше требуемого адресного пространства программы (рис.16.3):

Рис. 16.3. Загрузка при реальной памяти меньше требуемого адресного пространства

В этом случае программист (или операционная система) вынужден решать проблему, как организовать выполнение программы. Методов решения проблемы существует несколько: можно создать оверлейную структуру (т. е. разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости), сделать модули программы реентерабельными (т.е. допускающими одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы или из различных программ) и так далее.

В некоторых операционных системах адреса откомпилированной (с адреса 0h) программы могут быть преобразованы в адреса реальной памяти, отличные от 0h. При этом создается абсолютный модуль, который требует размещения его в памяти всегда с одного и того же адреса.

Тогда, при мультипрограммном режиме, если имеем программы А, В и С, для которых известно, что программа А выполняется при размещении в памяти с адреса 60 Кбайт до 90 Кбайт, В - с 60 Кбайт до 90 Кбайт, С - с 50 Кбайт до 120 Кбайт, организовать их совместное выполнение невозможно, так как им необходим один и тот же участок реальной памяти. Эти программы будут ждать друг друга, либо их нужно заново редактировать с другого адреса.

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться ситуация, когда между программами образуются незанятые участки памяти. Такое состояние называется фрагментацией реальной памяти. Оно характерно для систем со статическим перемещением (рис.16.4).

Рис. 16.4. Фрагментация памяти

В системах с динамическим перемещением программ перемещающий загрузчик размещает программу в свободной части памяти и допускает использование несмежных ее участков (рис.16.5).

Рис. 16.5. Динамическое перемещение программ

В этом случае имеется больше возможностей для организации мультипрограммной работы, а следовательно, и для более эффективного использования временных ресурсов ЭВМ.

При больших размерах реализуемых программ возникают некоторые противоречия в организации мультипрограммного режима работы и трудности динамического распределения ресурсов.

В настоящее время разработано несколько способов решения этих противоречий. Например, для борьбы с фрагментацией основной памяти адресное пространство программы может быть разбито на отдельные сегменты, слабо связанные между собой. Тогда программа, которая имеет длину, превышающую размеры свободных участков памяти, может быть представлена в виде ряда сегментов, загружаемых в различные области ОП. Это позволяет использовать реальную память, теряемую из-за фрагментации.

Адреса в каждом сегменте начинаются с 0h. При статическом перемещении программы в процессе загрузки ее в основную память адреса должны быть привязаны к конкретному месту в памяти, на это уходит много времени, отвлекаются вычислительные ресурсы. Более эффективной является динамическая трансляция адресов (ДТА), которая заключается в том, что сегменты загружаются в основную память без трансляции адресного пространства (т.е. без изменения адресов в программе с учетом физического размещения в памяти команд и данных), а трансляция адресов каждой команды производится в процессе ее выполнения. Этот тип трансляции называется динамическим перемещением и осуществляется специальными аппаратными средствами ДТА (рис.16.6).

Для динамической трансляции адресов (т.е. при определении абсолютных адресов по известным относительным, содержащим номер сегмента и смещение) операционная система строит специальные таблицы, устанавливающие соответствие между сегментируемым адресным пространством программы и действительными адресами сегментов в реальной памяти (рис.16.7).

Рис. 16.6. Динамическое перемещение программ

Рис. 16.7. Динамическая трансляция адресов

Каждая строка таблицы сегментов содержит адрес начала сегмента в реальной памяти. Для каждого сегмента имеется одна строка таблицы.

Таблицу сегментов содержит каждая выполняемая программа.

В дополнение к таблице сегментов для динамической трансляции адреса применяется специальный управляющий регистр, называемый регистром начала таблицы сегментов (РНТС, или STOR (segment table origin register)). В этот регистр занесен адрес таблицы сегментов выполняемой в данный момент программы. В МП Pentium в качестве РНТС используются 3 регистра: GDTR, LDTR и IDTR.

Использованием сегментации программ достигается уменьшение фрагментации основной памяти, но полностью фрагментация не устраняется - остаются фрагменты, длина которых меньше длины сегментов программы.

Если сегменты разделить на одну или несколько единиц, называемых страницами, которые имеют фиксированный размер, то, поскольку размер страницы достаточно мал по сравнению с обычным размером сегментов, неиспользуемые фрагменты ОП значительно сокращаются в объеме, будет происходить так называемая фрагментация внутри страниц. Следовательно, потери все-таки останутся, но они будут существенно меньше. Такая организация использования ресурсов называется сегментно-страничной.

Формирование сегментно-страничной структуры выполняется автоматически с помощью операционной системы.

Все преимущества динамического перемещения с применением сегментации и страничной организации достигаются благодаря аппаратуре и программному обеспечению, а не пользователям системы. Специальные программы во время загрузки разбивают адресное пространство программы на сегменты и страницы, строят таблицы сегментов и страниц. Средства ДТА автоматически транслируют адрес в процессе выполнения программы.