Организация защиты основной памяти.

Билет №7

1.Организация ввода/вывода. В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью, с другой стороны, с устройствами ввода/вывода. Механизмом взаимодействия является центральная шина, к которой подсоединяются все подсистемы. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность.

Недостатком организации с единственной шиной является то, что шина ограничивает пропускную способность ввода/вывода.

Максимальная скорость шины ограничивается ее длиной и количеством подсоединяемых устройств.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода имеют большую протяженность, поддерживают соединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память сравнительно короткие, высокоскоростные и стремятся обеспечить максимальную пропускную способность канала память-процессор.

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы.

Рассмотрим типичную операцию (транзакцию) на шине. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных. Шинные транзакции обычно определяются характером взаимодействия с памятью: транзакция типа «Чтение» передает данные из памяти (либо в процессор, либо в устройство ввода/вывода) (рис. 6.1), транзакция типа «Запись» записывает данные в память (рис. 6.2.).

В транзакции типа «Чтение» по шине сначала посылается в память адрес вместе с соответствующими сигналами управления, индицирующими чтение. Память отвечает, возвращая на шину данные с соответствующими сигналами управления. Транзакция типа «Запись» требует, чтобы процессор или устройство ввода/вывода послало в память адрес и данные, и не ожидает возврата данных. Обычно ЦП вынужден простаивать во время интервала между посылкой адреса и получением данных при выполнении чтения, но часто он не ожидает завершения операции при записи данных в память.

Главное устройство шины – это устройство, которое может инициировать операции чтения или записи. Процессор, например, всегда является главным устройством шины. Шина имеет несколько главных устройств, если имеется несколько центральных процессоров или когда устройства ввода/вывода могут инициировать транзакции на шине. Приоритетность управляющих устройств основано на системе прерываний.

Шина бывает синхронной и асинхронной. Если шина синхронная, то по линиям управления шины передаются сигналы синхронизации. Все на шине должно происходить с одной и той же частотой синхронизации, поэтому из-за проблемы перекоса синхросигналов, синхронные шины не могут быть длинными. Обычно шины процессор-память синхронные.

В асинхронной шине используется старт-стопный режим передачи. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.

2.Дисковый накопитель обычно состоит из набора металлических дисков, покрытых магнитным материалом и соединенных между собой при помощи центрального шпинделя.

Для записи данных используются обе поверхности диска. В современных дисковых накопителях используется от 4 до 9 дисков. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью (обычно 3600, 5400 или 7200 оборотов в минуту). Каждая пластина содержит набор концентрических записываемых дорожек. Обычно дорожки делятся на блоки данных объемом 512 байт, иногда называемые секторами. Количество блоков, записываемых на одну дорожку, зависит от физических размеров пластины и плотности записи.

Данные записываются или считываются с пластин с помощью головок записи/считывания, по одной на каждую поверхность. Линейный двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое позиционирует головку над заданной дорожкой. Обычно головки крепятся на кронштейнах, которые приводятся в движение каретками. Цилиндр – это набор дорожек, соответствующих одному положению каретки. Накопитель на магнитных дисках (НМД) представляет собой набор пластин, магнитных головок, кареток, линейных двигателей плюс воздухонепроницаемый корпус. Дисковым устройством называется НМД с относящимися к нему электронными схемами.

Производительность диска определяется временем доступа, временем ожидания и временем передачи данных. Время доступа – это время, необходимое для установки головок на нужную дорожку. Время ожидания – время, за которое искомый сектор повернется до совмещения с положением головки. После этого данные могут быть записаны или считаны. Время передачи данных – это время, необходимое для физической передачи байтов.

В состав компьютеров входят специальные устройства – дисковые контроллеры. К дисковому контроллеру может подключаться несколько дисковых накопителей. Между дисковым контроллером и основной памятью может быть целая иерархия контроллеров и магистралей данных. Поскольку время передачи составляет малую часть общего времени доступа к диску, контроллер разъединяет магистрали данных от диска на время доступа так, что другие диски, подсоединенные к контроллеру, могут передавать свои данные.

Маскирование прерываний.

Прерывание – это инициируемый определенным образом процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возобновлением выполнения прерванной программы. Прерывания могут быть внешними и внутренними. Внешние прерывания вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями. Внутренние прерывания возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса. Внешние прерывания делятся на:*маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний(сбросом флага IF в регистре флагов. IF (Interrupt Flag) – флаг прерывания. Предназначен для так называемого маскирования (запрещения) аппаратных прерываний, то есть прерываний по входу INTR. На обработку прерываний остальных типов флаг IF влияния не оказывает. Если IF=1, микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если IF = 0, микропроцессор игнорирует сигналы на входе INTR) *немаскируемые — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания.

 

Билет №8

1.Многопроцессорные и многомашинные системы. Параллельные ЭВМ часто подразделяются по классификации Флинна на машины типа SIMD (с одним потоком команд при множественном потоке данных) и MIMD (с множественным потоком команд при множественном потоке данных).

Различие понятий многомашинной (ММС) и многопроцессорной (МПС) систем поясняет рис.. ММС содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою ОП и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит, в конечном счете, путем взаимодействия операционных систем машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в системе, изображенной на рис, в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Этих недостатков лишены многопроцессорные системы. В таких системах (рис,б) процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким, как модули памяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы в нужном количестве.

Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти.

Можно выделить четыре основных типа архитектуры систем параллельной обработки:

1) Конвейерная и векторная обработка.

Основу конвейерной обработки составляет раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов с передачей данных одного этапа следующему. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько операций. Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если происходит задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. Векторные операции обеспечивают полную загрузку вычислительного конвейера.

При выполнении векторной команды одна и та же операция применяется ко всем элементам вектора. Для настройки конвейера на выполнение конкретной операции может потребоваться некоторое установочное время, однако затем операнды могут поступать в конвейер с максимальной скоростью, допускаемой возможностями памяти. Главный принцип вычислений на векторной машине состоит в выполнении некоторой элементарной операции, которая должна многократно применяться к некоторому блоку данных.

2) Машины типа SIMD.

Состоят из большого числа идентичных процессорных элементов, имеющих собственную память. Все процессорные элементы выполняют одну и ту же программу. В отличие от машин первого типа, это универсальные программируемые ЭВМ, так что задача, решаемая параллельно, может быть достаточно сложной и содержать ветвления. Модели (1) и (2) схожи, и часто обсуждаются как эквивалентные.

3) Машины типа MIMD (мультипроцессор).

В машинах данного типа каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов. Процессорные элементы, конечно, должны как-то связываться друг с другом, что делает необходимым более подробную классификацию машин типа MIMD. В мультипроцессорах с общей памятью (сильно связанных мультипроцессорах) имеется память, доступная всем ПЭ. С общей памятью ПЭ связываются с помощью сети обмена. Слабосвязанные многопроцессорные системы – машины с локальной памятью, связанные с помощью сети обмена.

4) Многопроцессорные машины с SIMD-процессорами.

Представляют собой многопроцессорные системы, в которых в качестве процессоров используются процессоры типов 1 и 2.

Особенностью многопроцессорной системы является сеть обмена, с помощью которой процессоры соединяются друг с другом или с памятью. От модели обмена зависят многие характеристики производительности. Основные модели сети: 1) основана на передаче сообщений, 2)на использовании общей памяти. Обмен 2)часто реализуется по принципу взаимно исключающего доступа к общей памяти методом "почтового ящика".

В архитектурах с локальной памятью разделение памяти невозможно. Процессоры получают доступ к данным через сети обмена. Эффективность сети обмена зависит от протоколов обмена, пропускной способности памяти и каналов обмена.

Существующие MIMD-машины делятся на два класса в зависимости от количества объединяемых процессоров, которое определяет и способ организации памяти, и методику их межсоединений.

1) машины с общей (разделяемой) основной памятью, объединяющие до нескольких десятков (обычно менее 32) процессоров.

2) крупномасштабные системы с распределенной памятью.

2.Системы прерываний. Прерывание – это инициируемый определенным образом процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возобновлением выполнения прерванной программы.

Механизм прерываний позволяет обеспечить наиболее эффективное управление не только внешними устройствами, но и программами. Некоторые операционные системы используют механизм прерываний не только для обслуживания внешних устройств, но и для предоставления своих услуг. Прерывания могут быть внешними и внутренними. Внешние прерывания вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями. На них формируются внешние по отношению к микропроцессору сигналы, которые извещают микропроцессор о том, что некоторое внешнее устройство просит уделить ему внимание. Внутренние прерывания возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса. К их возбуждению приводит одна из двух причин:

– ненормальное внутреннее состояние микропроцессора, возникшее при обработке некоторой команды программы;

– обработка машинной команды «int xx». Такой тип прерываний называется программным. Это – планируемые прерывания, так как с их помощью программист обращается в нужное для него время за обслуживанием своих запросов либо к операционной системе, либо к BIOS, либо к собственным программам обработки прерываний.

3.Кэш-память -- это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить. Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой. Компьютеры хранят данные в аналогичной иерархии. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа (Dynamic Random Access Memory -- DRAM), откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память выполняет роль кэша для жесткого диска.

Для достаточно быстрых компьютеров (например, на основе intel-80386 с тактовой частотой более 25 мгц или intel-80486) необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе intel-80386dx или 80486sx размер кэш-памяти в 64 кбайт является удовлетворительным, 128 кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе intel-80486dx и dx2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 кбайт.

 

Билет №9