Раздел 7 (Лекции 10-12)
Упрощенная схема ЭВМ с канальной организацией
ВУ – внешние (периферийные) устройства
Понятие канала
Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между оперативной памятью и внешними устройствами.
Контроллер внешнего устройства – это программно-аппаратная составляющая устройства, которая служит для связи внешнего устройства с данной моделью ЭВМ.
Принципы подключения внешних устройств к каналам
Внешние устройства группируются по характерной скорости на два класса (быстрые и медленные) и подключаются к соответствующим каналам.
«Быстрые» устройства (например, накопители на магнитных дисках) подключаются к селекторным каналам. Такое устройство получает селекторный канал в монопольное использование на все время выполнения операции обмена данными.
«Медленные» устройства подключаются к мультиплексным каналам. Такой канал разделяется (мультиплексируется) между несколькими устройствами, за счет чего возможен одновременный обмен данными с несколькими устройствами.
Все контроллеры внешних устройств подключаются к «своим» каналам с помощью стандартного интерфейса.
Контроллер оперативной памяти
Доступ к оперативной памяти может получить и центральный процессор, и один из каналов. Для управления очерёдностью доступа имеется контроллер оперативной памяти. Он определяет приоритет доступа при одновременном обращении нескольких устройств к памяти.
Наименьший приоритет имеет центральный процессор. Среди каналов больший приоритет имеют медленные каналы. Таким образом, приоритет обратно пропорционален частоте обращения устройств к памяти.
Канальные команды и команды ЦП для работы с каналами
За счёт существенного усложнения организации ЭВМ упрощаются операции ввода-вывода данных.
Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена (процессор — оперативная память и каналы — оперативная память).
Канал, являясь хотя и специализированным, но все-таки процессором, выполняет свою канальную программу.
О своём состоянии канал информирует процессор с помощью сигнала прерывания.
Канальная программа
Канальная программа состоит из канальных команд. Длина канальной программы произвольна, но ее последняя команда содержит признак конца.
Подготовку канальной программы и загрузку ее в оперативную память осуществляет операционная система.
Адрес начала канальной программы размещается в фиксированной ячейке памяти, называемой словом адреса канала CAW (Chanel Adress Word).
Центральный процессор для работы с каналами имеет всего несколько команд.
1. Операция обмена данными инициируется ЦП с помощью команды:
НАЧАТЬ ВВОД-ВЫВОД (Start IO (M,N))
M – номер канала
N – номер устройства
Команда передается во все каналы, но воспринимает ее только канал M.
Центральный процессор может проверить состояние канала с помощью команды:
2. ОПРОСИТЬ ВВОД-ВЫВОД (Test IO)
Если канал занят, то он устанавливает соответствующее состояние своих регистров, и процессор по команде (Test IO) может выяснить, что запуск канальной программы для обмена данными не состоялся.
Если канал свободен, то он:
Во-первых, выбирает из оперативной памяти из ячейки CAW в свой регистр адрес первой команды SIO (M,N).
Во-вторых, передает подключенным к нему устройствам команду SIO (M,N). Эта команда запуска ввода-вывода передается всем устройствам, но воспринимает ее только устройство N.
Если устройство занято или не готово, в регистрах канала устанавливается соответствующее состояние, и ЦП по команде TIO узнает о том, что операция обмена данными не состоялась.
Если же устройство свободно и готово к обмену данными, оно устанавливает в интерфейсе сигнал ожидания.
Преимущества канальной организации ЭВМ
В ЭВМ фон Неймана с канальной организацией процессор практически полностью освобождается от рутинной работы по организации ввода-вывода. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными берет на себя канал.
Наличие нескольких каналов передачи данных снимает трудности, связанные с блокировкой единственного канала (системной шины), что повышает скорость обмена.
Все это даёт возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора.
В результате общая производительность системы существенно возрастает. Удорожание схемы окупается.
Канал как специализированный узел
В рассмотренной выше схеме ЭВМ операции обмена данными с внешними устройствами организуются через специализированный узел — канал ввода-вывода. Благодаря этому можно организовать обработку информации параллельно с вводом-выводом.
В настоящее время схемы со специализированными процессорами ввода-вывода часто встречаются в ЭВМ
Информационная модель ЭВМ
ЭВМ можно представить как совокупность узлов, соединённых каналом связи.
Узлы соединяют в себе функции хранения и преобразования информации. Некоторые узлы могут иметь специальную функцию ввода информации в систему и вывода из нее.
По каналам связи информация передаётся от узла к узлу.
Основные характеристики ЭВМ при использовании информационной модели
Узлы хранения имеют:
вместимость — максимальную, среднюю или минимальную;
скорость выборки;
разрядность выборки.
Преобразующие узлы имеют скорость преобразования
Каналы определяются:
скоростью передачи информации (пропускная способность);
разрядностью передачи.
Типовые схемы организации ЭВМ
Показанная выше информационная модель ЭВМ не имеет ограничений на связи между отдельными узлами. Реализовать такую схему весьма сложно.
Реально существующие системы имеют ряд ограничений на связи и четкое функциональное назначение узлов.
Из множества возможных соединений выделяются следующие схемы ЭВМ:
ЭВМ с шинной организацией;
ЭВМ с канальной организацией
ЭВМ с перекрестной коммутацией
ЭВМ с конвейерной организацией
ЭВМ с распределенными функциями (распределенный интеллект)
Система команд ЭВМ
Все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд.
Система команд у типичной ЭВМ включает в себя всего 60-150 базовых команд. Все команды в основном служат для выполнения очень простых действий, таких, как прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить и т.д.
Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что ЭВМ способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, не достижимой для человека скоростью.
При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по следующим признакам.
Классификация команд ЭВМ
Структура команды ЭВМ
Трёхадресная команда
Команды передачи данных
Данная группа команд включает в себя подгруппы команд передачи кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств.
Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Они позволяют включить данные в стек для временного хранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования.
Команды обработки данных
Данную группу команд с точки зрения выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить, сравнить), логические (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.) и команды сдвига.
Команды этого типа могут иметь один или два операнда. Операнды могут храниться к регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде.
Результат операции формируется в регистре-приёмнике или в специализированном регистре-аккумуляторе.
Команды данной группы формируют также признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора: перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др.
Команды передачи управления
Они имеют важное значение, так как используются для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах.
Простейшей командой передачи управления является команда безусловного перехода JMP <адрес>, которая загружает адрес перехода, указанный в команде, в программный счётчик.
Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счётчик, если условие истинно.
Организация подпрограмм в программе
В программировании широко используется такой приём, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а вызываться может из различных мест программы неоднократно. Подпрограмма в процессе своей работы может вызвать другую.
После того как подпрограмма закончила свою работу, управление должно быть передано на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к этой подпрограмме.
Адрес возврата
Адрес команды, на которую управление передаётся после окончания работы подпрограммы, называется адресом возврата.
Понятие стека и его организация
Большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек — это структура данных, организованная по принципу: последним вошел — первым вышел, т.е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми.
В переводе с англ. stack — стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь без проблем опять-таки только верхнюю тарелку.
Организация стека
В ЭВМ для организации стека выделяется область оперативной памяти, а для ее адресации и доступа к стеку используется регистр— указатель стека.
Регистр - указатель стека хранит адрес ячейки памяти, содержащей последнее помещённое в стек значение.
При записи числа в стек указатель стека модифицируется так, чтобы он указывал на следующую свободную ячейку, и в нее записываются данные.
При извлечении из стека данные считываются из той ячейки ОП, на которую показывает указатель, затем указатель стека модифицируется так, чтобы указывать на предпоследнее сохранённое в стеке значение.
Обычно стеки растут в сторону уменьшения адресов, т.е. при записи числа указатель стека уменьшается, при извлечении числа из стека — увеличивается.
Структура данных стека на примере
Принцип работы команды вызова подпрограммы САLL <адрес> и команды возврата RETURN
Работа команды вызова подпрограмм САLL <адрес>
Когда процессор считывает из памяти команду САLL <адрес>, программный счетчик увеличивается и показывает на команду, следующую за командой САLL. То есть программный счетчик теперь содержит адрес возврата, с которого должно продолжиться выполнение основной программы после окончания работы подпрограммы.
При выполнении обращения к подпрограмме процессор сохраняет содержимое программного счетчика в стеке, точнее, в его ячейках ОП.
Далее в программный счетчик загружается адрес команды, с которого начинается подпрограмма. Процессор приступает к выполнению подпрограммы.
Работа команды возврата RETURN
Для возврата из подпрограммы в основную программу служат команды возврата RETURN.
Команда возврата из подпрограммы извлекает из стека сохраненный в нем адрес возврата помещают его в программный счетчик.
Процессор приступает к выполнению основной программы.
Если имели место несколько вложенных вызовов подпрограмм, то возврат произойдет по адресу возврата, сохранённому после последнего вызова, (так как для хранения адресов возврата используется стек и последний сохраненный адрес возврата будет вызван первым).
Общие сведения о ПЭВМ
Появление в 1975 г. в США первого серийного персонального компьютера (персональной ЭВМ — ПЭВМ) вызвало революционный переворот во всех областях человеческой деятельности.
ПЭВМ относится к классу микро ЭВМ.
ПЭВМ предназначена для автономной работы в диалоговом режиме с пользователем.
Общедоступность ПЭВМ определяется сравнительно низкой стоимостью, компактностью, отсутствием специальных требований как к условиям эксплуатации, так и степени подготовленности пользователя.
Смена поколений ПЭВМ
Основой ПЭВМ является микропроцессор (МП). Развитие техники и технологии микропроцессоров определило смену поколений ПЭВМ:
первое поколение (1975—1980 гг.) — на базе 8-разрядного МП
второе поколение (1981—1985 гг.) — на базе 16-разрядного МП
третье поколение (1986—1992 гг.) — на базе 32-разрядного МП
четвертое поколение (1993 г. — по настоящее время) — на базе 64-разрядного МП.
Роль компьютера IBM PC\
Компьютер IBM PC, произведенный корпорацией IBM (США) на базе МП Intel-8086 в 1981 г. занял и занимает до сих пор ведущее место на рынке.
Его основное преимущество — так называемая «открытая архитектура», благодаря которой пользователи могут расширять возможности приобретенной ПЭВМ, добавляя личные периферийные устройства и модернизируя его.
Компьютер IBM PC стал как бы стандартом класса ПЭВМ. Примерно 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC
Классификация ПЭВМ
Бытовые ПЭВМ: предназначены для использования в домашних условиях
Персональные ЭВМ общего назначения применяются для решения задач научно-технического и экономического характера а также для обучения и тренировки.
Профессиональные ПЭВМ используются в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач.
Структурная схема ПЭВМ с периферийными устройствами
Центральный микропроцессор, его функции и состав
Ядром ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков в многозадачном режиме.
Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС). В его составе:
Центральный процессор (АЛУ + УУ)
Арифметический сопроцессор
КЭШ-память (регистрового типа)
Схемы управления системной шиной
Состав микропроцессора
Ядром ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков.
Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС). В его составе:
Центральный процессор (АЛУ + УУ)
КЭШ-память,
Схемы управления системной шиной.
МП с архитектурой RISC
RISC ( Reducted Instruction Set Computer — «компьютер с сокращенной системой команд»).
В этих МП применяется сравнительно небольшой (сокращенный) набор наиболее часто употребимых команд, характерны следующие факторы: все команды имеют одинаковый формат; большинство команд — трехадресные; большое количество внутренних регистров МП, позволяющее резко сократить число обращений к ОП, а следовательно, уменьшить время машинного цикла; конвейеризация выполнения команд; наличие кэш-памяти.
Ограниченный набор команд сравнительно простой структуры дает возможность уменьшить количество аппаратуры
При одной и той же тактовой частоте ПЭВМ RISC-архитектуры имеют производительность в 2 — 4 раза выше, чем ПЭВМ на базе МП Intel.
Внутренняя память ПЭВМ
Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти (ОП) и постоянной памяти (ПП).
Постоянная память является энергонезависимой, используется для хранения системных программ, в частности, так называемой базовой системы ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены, для постоянного использования их микропроцессором.
Оперативная память является энергозависимой. В оперативной памяти хранятся исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные данные, результаты обработки информации.
Сегментация оперативной памяти ПЭВМ
Сегментация ОП является средством управления пространством логических адресов. Сегментированная память представляет собой набор блоков (сегментов), характеризуемых определёнными атрибутами, такими, как расположение, размер, тип (стек, программа, данные), класс защиты памяти (от 0 до 3).
Расположение сегментов оперативной памяти ПЭВМ. Внешние запоминающие устройства ПЭВМ
Кластер
Кластер состоит из одного или нескольких смежных секторов.
Кластер – минимальная единица размещения данных на диске
Обмен данными между ОП и диском осуществляется только последовательностью кластеров. Область памяти, выделяемая файлу на диске, кратна определённому количеству кластеров, которые необязательно являются смежными и могут быть разбросаны по всему диску (диск будет фрагментирован)
Размеры кластера
Размеры кластера определяются используемой файловой системой в зависимости от размеров логического диска.
Фрагментация
Использование кластеров больших размеров уменьшает фрагментированность диска и уменьшают размер FAT, что увеличивает быстродействие.
Слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию памяти, особенно при наличии большого числа файлов небольшого размера.
Файловая система NTFS делит все полезное место на кластеры - блоки данных, используемые единовременно. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким же стандартом считается кластер размером 4 Кбайт.
Физический и логический формат диска
Любой диск имеет физический и логический формат.
Физический формат диска определяет размер сектора (в байтах), число секторов на дорожке (или — для жёстких дисков — в цилиндре), число дорожек (цилиндров) и число сторон.
Логический формат диска задаёт способ организации информации на диске и фиксирует размещение информации различных типов.
Логический диск или том — часть долговременной памяти, рассматриваемая как единое целое для удобства работы. Термин «логический диск» используется в противоположность «физическому диску», под которым рассматривается память одного конкретного носителя информации
Таблица расположения файлов (File Allocation Table - FAT)
Для выполнения файловых операций ОС отслеживает распределение пространства диска между файлами с помощью таблицы FAT.
Для каждого файла в FAT создается цепочка элементов, указывающая кластеры, занимаемые файлом на диске.
В каталоге, содержащем имя файла, есть указатель к началу цепочки – точка входа в FAT .
При удалении файла элементы FAT и соответствующие им кластеры освобождаются.
Для повышения быстродействия FAT копируются в оперативную память ПЭВМ.
Стандартная файловая система для семейства операционных систем MS Windows: NTFS (New Technol File System)
Стандартная файловая система для семейства операционных систем MS Windows.
Использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в Master File Table (MTF).
MFT (Master File Table) — главная файловая таблица (база данных), в которой хранится информация о содержимом тома NTFS, представляющая собой таблицу, строки которой соответствуют файлам тома, а столбцы — атрибутам файлов).
NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей, а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования для повышения надёжности файловой системы.