Глава 13

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ МУЛЬТИПРОГРАММНЫХ ЭВМ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

1. Предварительные замечания

В Советском Союзе ЭВМ общего назначения представлены имеЮщимй единую архитектуру программно-совместными маши­нами, образующими Единую систему ЭВМ (ЕС ЭВМ).

Общее назначение машин состоит в том, что они обладают универсальными сбалансированными по показателям эффектив­ности и производительности возможностями:

по решению разнообразных задач: научно-технических, ин­формационно-логических, планово-экономических, управленче­ских, учебно-статистических;

по сбору, накоплению, хранению и обработке больших объе­мов разнообразной информации;

по представлению в машине, обработке и редактированию разнообразных видов и форматов данных, а также по выпол­нению с высокой скоростью вычислений с различной (в том числе и очень высокой) точностью;

по использованию в составе ЭВМ разнообразных по количе­ственным и качественным показателям наборов периферийных устройств с обеспечением высокой интенсивности обмена инфор­мацией между ядром ЭВМ и периферийным оборудованием;

по реализации разнообразных высокоэффективных режимов работы и общения пользователей с ЭВМ, в том числе мульти­программного, многозадачного, диалогового, разделения време­ни, многопользовательского (коллективного пользования), реального времени и др.;

по использованию огромного объема разнообразных при­кладных и системных программных продуктов.

Однако за универсальность приходится расплачиваться сложностью логической организации, аппаратурных и системных программных средств. Современные ЭВМ общего назначения — одни Из наиболее сложных объектов вычислительной техники.

ЭВМ общего назначения со сбалансированными характери- стйками для решения как научно-технических, так и разного рода информационных и планово-экономических задач являются в настоящее время вычислительными средствами, выполняющи­ми в стране большой объем работ по машинной обработке информации и вычислениям в сферах науки, сложных инженер­ных задач и автоматизированных информационно-управляющих систем. Во многих случаях оказывается целесообразным ком- плексирование ЭВМ общего назначения с несколькими (иногда десятками и сотнями) персональными компьютерами, микро- и мини-ЭВМ с распределением между ними и ЭВМ общего назначения функций в соответствии с их потенциальными воз­можностями по обработке и хранению информации и представ­ляемыми пользователю удобствами общения.

Сказанное объясняет, почему изучение особенностей органи­зации ЭВМ общего назначения занимает в практическом и по­знавательном смысле важное место при подготовке специалистов в области создания и использования вычислительной техники.

Многие вопросы архитектуры этих машин, построения и фун­кционирования их устройств рассмотрены в предыдущих главах. В гл.' 13 и 14 продолжено рассмотрение вопросов организации ЭВМ общего назначения, причем основное внимание уделено особенностям режимов работы этих машин и, средствам под­держки этих режимов. В § 14.7 приведены соображения об основных тенденциях развития ЭВМ общего назначения в бли­жайшие годы.

2. Организация мультипрограммного режима работы ЭВМ

Важным вопросом в организации вычислительного процесса в ЭВМ общего назначения является использование мультипрог­раммирования, которое предполагает, грубо говоря, одновремен­ное выполнение ЭВМ нескольких программ. Естественно, в каж­дый момент времени ЭВМ выполняет команду какой-то одной программы. Однако всякий раз, когда выполнение процессором некоторой программы приостанавливается из-за необходимости произвести, например, операцию ввода-вывода, процессор пере­ходит к обработке другой готовой для выполнения программы. При этом предполагается, что одновременно в оперативной па­мяти присутствует несколько программ (или их фрагментов),

которые могут находиться в состояниях активном (программа обрабатывается на процессоре), готовности к обработке или ожидания некоторого события, например завершения операции ввода-вывода или освобождения нужного ресурса.

Программа находится в состоянии готовности, если ей предо­ставлены все необходимые ресурсы, кроме времени процессора.

Мультипрограммирование предназначено для повышения пропускной способности вычислительной установки путем более равномерной и плотной загрузки всего ее оборудования, в пер­вую очередь процессора. При этом скорость работы самого про­цессора и номинальная производительность ЭВМ, как она опре­делена в гл. 1, не зависят от мультипрограммирования. Су­щественной характеристикой для пользователя является про­пускная способность, которая оценивается средним объемом вычислений, выполняемых ВС в единицу времени при решении наборов практических задач.

На рис. 13.1 показано выполнение двух программ при одно­программном и мультипрограммном режимах работы. Как видно из рисунка, общее время выполнения программ А к В при муль­типрограммном режиме значительно меньше, чем при однопрог­раммном. б рассмотренном примере в мультипрограммном ре­жиме сохранились (хотя и существенно уменьшились) паузы в работе процессора. Дальнейшее увеличение пропускной спо­собности в рассматриваемом примере можно получить, увеличив число одновременно обрабатываемых программ (задач) (ко­эффициент мультипрограммности).

Поскольку участвующие в мультипрограммной обработке программы конкурируют за получение времени процессора, до­ступа к памяти и другим устройствам, между ними должны быть установлены приоритетные соотношения.

Заметим, что переключение программ из состояния готовно-