Архитектура компьютерной системы

Функционирование компьютерной системы

Преимущество описанного модульного подхода к аппаратуре в том, что центральный процессор, память и внешние устройства могут функционировать параллельно. Работой каждого устройства управляет специальный контроллер. При необходимости выполнения ввода-вывода центральный процессор генерирует прерывание, в результате которого вызывается операционная система, в свою очередь, в качестве реакции на прерывание запускающая драйвер устройства, соответственно, активизирующий его контроллер. Каждый контроллер устройства имеет локальный буфер – специализированную память для обмена информацией между компьютером и устройством. Для того, чтобы контроллер мог начать вывод на устройство, предварительно центральный процессор (точнее, драйвер устройства, запущенный на нем) должен переслать информацию из заданной области оперативной памяти в буфер устройства. Далее контроллер устройства уже выполняет вывод информации из буфера на само устройство (например, записывает ее в заданную область жесткого диска). По окончании обмена информацией, контроллер генерирует сигнал о прерывании ( interrupt ) по системной шине, этим информируя процессор об окончании операции. Для того, чтобы избежать повторных пересылок больших объемов информации, в современных компьютерах применяют DMA ( Direct Memory Access ) – контроллеры – контроллеры с прямым доступом к оперативной памяти. Такие контроллеры используют при обмене с устройством не свою специализированную память, а напрямую область оперативной памяти, в которой и размещается буфер обмена.

Обработка прерываний

Операционную систему можно рассматривать как программу , управляемую прерываниями ( interrupt - driven program ).Прерывание центрального процессора передает управление подпрограмме обработки данного вида прерываний, являющейся частью ОС. В большинстве компьютеров этот механизм реализован через вектор прерываний ( interrupt vector ) – резидентный массив в оперативной памяти, в котором хранятся доступные по номерам прерываний адреса подпрограмм-обработчиков прерываний (модулей ОС). При обработке прерывания аппаратура и ОС сохраняют адрес прерванной команды .При возобновлении вычислений будет вновь повторено выполнение прерванной команды.

Очевидно, что при обработке прерывания, в свою очередь, может возникнуть другое прерывание. В этом случае новое входящее прерывание задерживается (disabled),и информация о нем запоминается в очереди прерываний – системной структуре ОС, обеспечивающей поочередную обработку всех возникших прерываний.

Кроме прерываний, генерируемых аппаратурой неявно при вычислениях (например, отсутствие страницы в оперативной памяти), возможно также программируемое прерывание (trap ; дословно – ловушка ) с помощью специальной команды процессора, - например, при обнаруженной ошибке в программе. В случае такого прерывания также работает общий механизм запуска обработчика прерывания – части ОС. Таким образом, с упрощенной точки зрения, ОС можно рассматривать как набор обработчиков прерываний.

При прерывании ОС сохраняет состояние процессора – значения регистров и значение счетчика команд (program counter – PC) – адреса прерванной команды .Обработчик прерывания в ОС определяет по содержимому сегмента объектного кода, какого вида прерывание возникло и какие действия по его обработке следует предпринять. Среди возможных видов прерываний, кроме фиксации различных ошибок, имеются также прерывания по таймеру – периодические прерывания через определенный квант времени, предназначенные для опроса устройств (polling) – действий операционной системы по периодической проверке состояния всех портов и внешних устройств, которое может меняться с течением времени: например, к USB-порту была подключена флэшка; принтер закончил печать и освободился, и т.д. ОС выполняет реконфигурацию системы и корректирует системные таблицы, хранящие информацию об устройствах.

Архитектура ввода-вывода

На рис. 4.2 изображена временная диаграмма прерываний процессора, выполняющего ввод-вывод.

увеличить изображение
Рис. 4.2. Временная диаграмма прерываний процессора при вводе-выводе.

На диаграмме видны моменты смены состояний процессора и устройства ввода-вывода: прерывание по запросу на ввод-вывод, обработка этого прерывания и пересылка информации из памяти в буфер устройства, вызов драйвера и контроллера, окончание обмена и прерывание контроллера, продолжение вычислений.

Имеются две разновидности режима ввода-вывода – синхронный и асинхронный.

Синхронный ввод-вывод – это ввод-вывод, выполнение которого приводит к переходу программы в состояние ожидания, до тех пор, пока операция ввода-вывода не будет полностью завершена. На аппаратном уровне – команда ввода-вывода переводит процессор в состояние ожидания (idle) до следующего прерывания. При данном режиме в каждый момент выполняется не более одного запроса на ввод-вывод; одновременный ввод-вывод отсутствует. Синхронный вывод выполняют всем программистам привычные операторы вида println(x).При их использовании в программах мы не задумываемся над тем, что используем достаточно неэффективный вариант синхронного ввода-вывода. Однако до сих пор мышление большинства программистов – последовательное, в том смысле, что о своей программе они мыслят как о чисто последовательно выполняемой, и вообще не думают о возможности какого-либо распараллеливания. При отладке программы, либо если размер выводимой информации невелик, это обычно вполне допустимо.

Асинхронный ввод-вывод – ввод-вывод, выполняемый параллельно с выполнением основной программы. После того. как начинается асинхронный ввод-вывод, управление возвращается пользовательской программе, без ожидания завершения ввода-вывода (последнее может быть выполнено специальной явной операцией). Таким образом, операция асинхронного обмена как бы разбивается на две: начать ввод-вывод и закончить ввод-вывод. Последняя выполняется для того, чтобы в этом месте программа все же ожидала завершения обмена, когда его результат необходим для дальнейших вычислений. Такой подход к реализации обмена более труден для понимания программистами и может привести к ошибкам (например, использована только операция начала ввода-вывода, а вызов операции его окончания забыт).

Таблица состояния устройств

На системном уровне, при обмене происходит следующее. Выполняется системный вызов ( system call ) – запрос к ОС путем вызова системной подпрограммы, в данном случае – чтобы позволить пользователю ожидать завершения ввода-вывода. Операционная система хранит таблицу состояния устройств, в которой каждому устройству соответствует элемент, содержащий тип устройства, его адрес и состояние. ОС индексирует таблицу устройств, с целью определения состояния устройства и модификации элемента таблицы для включения в нее информации о прерывании.

Архитектура синхронного (a) и асинхронного (b) ввода-вывода иллюстрируется на рис. 4.3.

увеличить изображение
Рис. 4.3. Архитектура синхронного и асинхронного ввода-вывода

На схеме видно, что отличительной чертой синхронного обмена является переход процессора в состояние ожидания до окончания операции ввода-вывода.

На рис. 4.4 показан пример состояния таблицы устройств ввода-вывода, хранимой операционной системой. Для каждого устройства хранится информация о его имени, состоянии, а для занятых устройств – адрес начала и длина порции информации, подлежащей обмену. Если для некоторого устройства (в примере – диск3 ) имеется несколько запросов на ввод-вывод, все они организуются в очередь и обслуживаются по очереди, по мере освобождения устройства.

увеличить изображение
Рис. 4.4. Пример состояния таблицы внешних устройств ОС

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA) – более эффективный метод работы контроллеров устройств ввода-вывода, используемый для работы высокоскоростных устройств, способных передавать информацию со скоростью, близкой к скорости работы памяти

DMA-контроллер передает блок данных из буферной памяти непосредственно в основную память, без участия процессора. Преимущество подобного широко применяемого подхода – не только в том, чтобы избежать лишней пересылки данных из одной области памяти в другую, но также в том, что прерывание в этом случае генерируется на каждый блок пересылаемых данных (хранящийся в буфере), но не на каждый пересылаемый байт, как при более традиционном способе обмена.