Принципы организации СПП

ДЛЯ НОТАТОК

Для более эффективной работы ЭВМ и использования оборудования предусматривается возможность одновременного выполнения нескольких программ. Для этой цели может использоваться режим разделения времени. В данном режиме для каждой программы выделяется интервал времени для ее выполнения. Однако, возникают сложности для выполнения программ: неизвестно время их включения, т.е. возникает задача разработки системы прерывания ЭВМ или процессора.

Выбор программ для выполнения определяется рядом причин:

1. работой операторов;

2. состоянием внешних устройств

3. состоянием каналов ввода и вывода информации

4. приоритетностью выполняемых программ

5. во время выполнения текущей задачи могут возникнуть условия, при которых она должна быть приостановлена и процессор должен перейти к выполнению других программ. Это происходит по запросам на прерывание. Реакция ЭВМ на запрос о прерывании состоит в том, что процессор останавливается и переходит к выполнению новой прерывающей программы. Этот процесс называется системой прерывания программ.

Режим одновременного выполнения нескольких программ называется также мультипрограммным режимом работы. В этом режиме в отличие от режима разделения времени новая программа может быть включена для выполнения в любой момент времени. При прерывании программы необходимо запомнить состояние процессора для того, чтобы была возможность возврата к прерванной программе.

Причинами, вызывающими прерывание программ, могут быть:

1. группа причин, связанная с внешними устройствами - это сигналы о готовности внешнего устройства выдать информацию в ОЗУ или процессор, с другой стороны - это сигналы на прерывание от внешнего устройства для приема информации в ВУ из ОЗУ или процессора;

2. могут быть обстоятельства, возникающие в ходе выполнения программы. К ним относятся: переполнения регистра, нулевой делитель, отрицательный аргумент при извлечении квадратного корня, а также сигналы системы контроля об обнаружении ошибок, сбоев или отказов систем ЭВМ.

Данные причины приводят к потере смысла выполнения программы. В данном случае при возникновении таких сигналов включают диагностические программы, которые определяют состояние ЭВМ и возможность ее дальнейшего поведения.

Для отработки сигнала запроса на прерывание могут использоваться программные или аппаратурные средства.

При аппаратурном способе использования регистров запросов на прерывание и масок.

Маска представляет собой двоичный код который в ходе выполнения программы записывается в регистр масок. Таким образом программа, изменяя маски, может менять приоритет выполнения прерываний.

Например: если пишется запрос на прерывание для выдачи информации на внешнее устройство, то этот запрос будет выполнен только при наличии подготовленной информации процессора. Это означает, что запрос на прерывание будет выполнен при наличии “1” в соответствующем разряде маски.

Рассмотрим схему прерывания аппаратным способом с использованием регистров прерываний и регистров маски:

Тг0

Тг1

ТгК

. . .

Схема определения старшего приоритета

Тг0

Тг1

ТгК

. . .

РгП

РгМ

Запросы на прерывание

Код маски

Общий сигнал прерывания

Код сигнала прерывания

РгП - регистр прерывания;

Тг – триггер;

РгМ - регистр маски.

Сигнал на прерывание будет выработан при наличии единицы в соответствующем разряде регистра прерываний, и единицы в соответствующем разряде регистра масок. Для этой цели используются элементы «И». Сигналы с элементом «И» поступают на схему определения старшего приоритета, которая вырабатывает общий сигнал прерывания и код сигнала прерывания. Для определения старшего приоритета прерывания используются схемы на логических элементах «И» и «ИЛИ».

Сигнал приоритета

ЗП₀

ЗП₁

Зп прогр

Дешифратор

В данной схеме определения приоритета используется то, что запрос о меньшем № имеет высший приоритет. При поступлении сигнала приоритета, запрос с меньшим № блокирует прохождение сигнала приоритета. Выходы элементов «И» поступают на дешифратор, который определяет № запроса.

нет

да

ЗПр1

Установка флажка в 1

Возвращение к программе

Установка флажка в 0

да

Запоминающее ССП

ЗПр0

Для определения источников запроса на прерывание может использоваться специальная программа, которая обеспечивает включение прерывающих программ в работу процессора.

Программный способ позволяет выполнять прерывание программы без увеличения оборудования, однако данный способ требует большего времени чем аппаратурный.

Система прерывания процессора (ССП) характеризуется следующими характеристиками:

1. общим числом запросов на прерывание;

2. временем реакции системы прерывания процессора, которая характеризуется временем от начала поступления запроса на прерывание и началом выполнения прерывающей программы;

3. глубиной прерывания (количеством программ, которые могут прерывать друг друга);

4. количеством групп запросов на прерывание с одинаковым приоритетом.

Программа, вызванная по сигналу прерывания, должна использовать некоторые регистры для своего выполнения, счетчик команд, регистр АЛУ, индексные регистры, базовые регистры – в данных регистрах к моменту прерывания находится информация, которая относится к прерываемой программе. Чтобы эта информация не исчезла и была возможность возврата к прерванной программе, эту информацию необходимо запомнить в памяти ЭВМ. Такую информацию называют словом состояния процессора. Для этого в памяти ЭВМ выделяются специальные ячейки.

Прерывание команды возможно только после выполнения команды, при которой поступил запрос на прерывание.

После передачи ССП (слова состояния процессора) и запоминания дополнительных данных, появляется возможность перехода к выполнению новой программы. В новом ССП указывается номер команды, к которой необходимо перейти, а также в регистре признаков и масок помещается новая информация. Для возврата к прерванной программе восстанавливается старое ССП и, таким образом, осуществляется возврат к прерванной программе.

Если рассмотреть процесс прерывания во времени, то он заключается в следующем:

прерываемая программа

прерывания

прерывающая программа

Пусть в момент времени появляется сигнал на прерывании. За время осуществляется реакция на запрос, длительность которого зависит от способа схемы прерывания. В момент времени является началом процесса прерывания. На интервале времени ( ) происходит запоминание старого ССП. С момента времени осуществляется выполнение прерывающей программы ( ). После окончания прерывающей происходит восстановление прерванной программы. В момент времени происходит возврат прерванной программы. Таким образом, время переключения по сигналу прерывания определяется как

Использование системы прерывания обеспечивает возможность выполнения нескольких программ в режиме разделения времени, что обеспечивает более эффективное использование ЭВМ по загрузке оборудования и повышения производительности.

Многопроцессорные системы (МПС)

Вычислительная техника в настоящее время по пути повышения производительности приблизилась к предельным возможностям времени переключения электронных схем, что ограничивает дальнейшее повышение производительности.

Так, за время переключения = 1 нс, сигнал может распространяться на расстояние 30 см. При превышении габаритов, ЭВМ не представляется обеспечить работу системы, поэтому одним из способов повышения производительности является использование принципа параллельно обработки информации. Стремление к повышению производительности ЭВМ в настоящее время могут использованы многомашинные вычислительные комплексы (МВК) или многопроцессорные системы. В данных системах используется принцип параллельной обработки информации.

Рассмотрим структуру МВК:

МВК состоит из нескольких отдельных ЭВМ, в которых обеспечивается возможность межмашинного обмена информацией, т.е. каждая ЭВМ. МВК содержит: свою операционную систему (ОС), процессор (Пр), оперативную память (ОП), каналы ввода-вывода (КВВ) и внешние устройства (ВУ). Между процессорами возможен обмен информацией. В каждой ЭВМ имеется своя оперативная память. С помощью каналов ввода-вывода обеспечивается работа любого процессора с внешними устройствами. В данной системе недостатками являются: наличие большого количества операционных систем и необходимостью межмашинного обмена информацией. С другой стороны, МВК обеспечивает повышение надежности комплекса. Т.к. при отказе одной из ЭВМ, обработка информации выполняются другими машинами. Более перспективным способом повышения производительности является использование многопроцессорных систем, особенностью которых является то, что в них используется общая операционная система, блок процессоров, общая оперативная память, каналы обмена и внешние устройства.

Структурная схема МПС имеет вид:

Вычислительная система называется МПС, если в ее состав входит несколько процессоров, работающих с общей оперативной памятью, и управляются единой операционной системой. Это означает, что любому процессору доступны оперативная память, КВВ и ВУ. Данная система обладает более высокой надежностью по сравнению с МВК. По принципу работы МПС различают 4 варианта работы МПС:

· ОКОД;

· ОКМД;

· МКОД;

· МКМО.

ОКОД– система, работающая с одиночным потоком данных. Это является частным случаем МПС.

ОКМД – данная система относится к матричным ЭВМ, когда все процессоры выполняют одну и ту же команду с различными данными.

МКОД– в данной системе процессоры выполняют каждый свою команду, с одним и тем же потоком данных. МПС типа МКОД представляет конвейерную обработку информации, это означает, что результат предыдущей операции является входным для следующего процессора.

МКМД –данная система работает с множественным потоком команд и данных, т.е. каждый процессор выполняет свою программу независимо от других процессоров.

По способу построения МПС различают МПС с общей памятью. В данной структуре процессоры имеют в своем составе память типа КЭШ или СОЗУ, и через общую шину подключается к оперативной памяти.

В данной системе наличие большого количества процессоров и общей оперативной памяти приводит к возникновению очереди при обращении процессоров к ОП, что снижает производительность системы. Для устранения названого недостатка используют схемы МПС с распределенной памятью. Для этого в состав каждого процессора вводится локальная память.

МВС с разделенной памятью

В данной системе каждый процессор имеет в своем составе СОЗУ и локальную память.

Локальная память

КВВ

Локальная память

КВВ

…

Интерфейс

Наличие в каждом процессоре локальной памяти резко сокращает количество обращений процессора к памяти, что обеспечивает повышение производительности МПС. Также, в данной системе каждый процессор может работать самостоятельно.

Развитие аппаратурных средств и особенно системы передачи данных позволяет в настоящее время создавать вычислительные сети. Вычислительные сети представляют собой многомашинную систему, расположенную на большой територии; отдельные ЭВМ связываются между собой с помощью системы передачи данных (СПД), что позволяет повысить производительность системы за счет параллельной обработки информации, а также своевременно перераспределять нагрузку отдельных ЭВМ в составе системы. Вычислительная сеть обладает повышенной надежностью за счет резервирования одних ЭВМ другими.

ЭВМ