Основные режимы работы мультипрограммной ЭВМ

Мультипрограммная ЭВМ может работать в различных режимах, использование того или иного из них определяется областью ее применения. Среди основных режимов работы мультипрограммной ЭВМ выделим следующие:

1. пакетный;
2. разделения времени;
3. реального времени.

Пакетный режим

Суть пакетного режима заключается в том, что ЭВМ обрабатывает предварительно сформированный пакет задач без вмешательства пользователя в процесс обработки.

Пакетный режим используется, как правило, на высокопроизводительных ЭВМ. Основное требование к организации вычислительного процесса на компьютере, работающем в пакетном режиме, - это минимизация времени решения всего пакета задач за счет эффективной загрузки оборудования ЭВМ.

При пакетном режиме основным показателем эффективности служит пропускная способность ЭВМ - число задач, выполненных в единицу времени.

Количественная оценка выигрыша при мультипрограммной работе по сравнению с однопрограммным использованием ЭВМ представляется в виде коэффициента увеличения пропускной способности:

k_ПС = T_ОПР/T_МПР

где Т_ОПР и Т_МПР - время выполнения пакета задач при однопрограммном и мультипрограммном режиме работы соответственно.

В рассмотренном в лекции 12 примере работы мультипрограммной ЭВМ k_ПС = 36/24 = 1,5 при Км = 2 и k_ПС = 36/22 1,64 при Км = 3.

Увеличение пропускной способности ЭВМ достигается надлежащим планированием поступления задач пакета на обработку в составе мультипрограммной смеси задач, а также оптимальным назначением приоритетов задачам в этих смесях, основывающемся на представлениях разработчиков о важности учета тех или иных аспектов функционирования ЭВМ и свойств каждой задачи входного пакета.

Основные этапы обработки пакета задач:

1. Подготовка программ к счету. При этом каждая программа пакета может быть разработана отдельным программистом.
2. Передача программ и исходных данных на ЭВМ, которая будет обрабатывать их в пакетном режиме.
3. Формирование пакета задач из переданных программ по одному из эвристических алгоритмов.
4. Обработка пакета задач на мультипрограммной ЭВМ.

Особенности пакетного режима работы:

1. Пользователь отстранен от непосредственного доступа к ЭВМ.
2. Результаты работы пользователь получает через определенное (иногда достаточно большое) время одновременно для всех задач пакета.
3. Увеличивается время отладки программ.
4. Существенно возрастает пропускная способность ЭВМ по сравнению с последовательным решением задач пакета.

Таким образом, пакетный режим наиболее эффективен при обработке больших отлаженных программ.

Режим разделения времени

Назначение - обслуживание конечного числа пользователей с приемлемым для каждого пользователя временем ответа на их запросы (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Организация работы ЭВМ в режиме разделения времени

Основные характеристики:

1. Многотерминальная многопользовательская система.
2. Любой пользователь со своего терминала может обратиться к любым ресурсам ЭВМ.
3. У пользователя создается впечатление, что он один работает на ЭВМ.

Реализация.

Время работы машины разделяется на кванты t_k.

Каждый квант выделяется для соответствующего терминала. Терминалы могут быть активными и пассивными: активный реально включен в обслуживание (за ним работает пользователь), пассивный - нет (квант не выделяется). После обслуживания всех терминалов последовательность квантов повторяется.

Единого способа выбора времени кванта не существует. Иногда оно выбирается по количеству команд, которое должна выполнить ЭВМ за это время.

В основе реализации режима разделения времени лежит одноочередная дисциплина обслуживания пользователей.

Режим реального времени

Этот режим работы мультипрограммных ЭВМ используется, как правило, в системах автоматического управления объектом (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Организация работы ЭВМ в режиме реального времени

Назначение - обеспечить выполнение задания за время, не превышающее максимально допустимого для данного задания. Большую роль играют дисциплины распределения ресурсов, особенно назначение приоритетов задачам.

Режим реального времени имеет много общего с системой разделения времени:

• много терминалов - много датчиков,
• много терминалов - много исполнительных устройств.

Особое внимание при построении систем реального времени уделяется вопросам обеспечения надежности функционирования системы.

14. Лекция: Система прерываний
Страницы: 1 | 2 | 3 | вопросы |»	| учебники | для печати и PDA | ZIP
Если Вы заметили ошибку - сообщите нам, или выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
Рассматриваются основные вопросы, связанные с организацией работы ЭВМ при обработке прерываний, а также особенности системы прерываний в персональной ЭВМ.
Организация обработки прерываний в ЭВМ Прерывание - это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой - обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами. Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера. Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 14.1). Рис. 14.1. Выполнение прерывания в компьютере: tр - время реакции процессора на запрос прерывания; tс - время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания; tв - время восстановления прерванной программы После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы - обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе. Время реакции - это время между появлением сигнала запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы (обработчика прерывания) в том случае, если данное прерывание разрешено к обслуживанию. Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы. Первый подход обеспечивает более быструю реакцию, но при этом необходимо при переходе к обработчику прерывания сохранять большой объем информации о прерываемой программе, включающей состояние буферных регистров процессора, номера завершившегося этапа и т.д. При возврате из обработчика также необходимо выполнить большой объем работы по восстановлению состояния процессора. Во втором случае время реакции может быть достаточно большим. Однако при переходе к обработчику прерывания требуется запоминание минимального контекста прерываемой программы (обычно это счетчик команд и регистр флагов). В настоящее время в компьютерах чаще используется распознавание запроса прерывания после завершения очередной команды. Время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом. Глубина прерывания - максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов, распознаваемых системой прерываний. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний (n) представлена на рис. 14.2. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет. Рис. 14.2. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний Без учета времени реакции, а также времени запоминания и времени восстановления: t11+t12=t1, t21+t22=t2.

 

Прерывания делятся на аппаратные и программные [[4]] Аппаратныепрерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами. Запросы аппаратных прерываний поступают на специальные входы микропроцессора. Они бывают: маскируемые, которые могут быть замаскированы программными средствами компьютера; немаскируемые, запрос от которых таким образом замаскирован быть не может. Программныепрерывания вызываются следующими ситуациями: особый случай, возникший при выполнении команды и препятствующий нормальному продолжению программы (переполнение, нарушение защиты памяти, отсутствие нужной страницы в оперативной памяти и т.п.); наличие в программе специальной команды прерывания INT n, используемой обычно программистом при обращениях к специальным функциям операционной системы для ввода-вывода информации. Каждому запросу прерывания в компьютере присваивается свой номер (тип прерывания), используемый для определения адреса обработчика прерывания. При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий: определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов); определение типа выбранного запроса; сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов; определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика; выполнение программы - обработчика прерывания; восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы; продолжение выполнения прерванной программы. Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания. Задача программиста - составить программу - обработчик прерывания, которая выполняла бы действия, связанные с появлением запроса данного типа, и поместить адрес начала этой программы в специальной таблице адресов прерываний. Программа-обработчик, как правило, должна начинаться с сохранения состояния тех регистров процессора, которые будут ею изменяться, и заканчиваться восстановлением состояния этих регистров. Программа-обработчик должна завершаться специальной командой, указывающей процессору на необходимость возврата в прерванную программу. Распознавание наличия сигналов запроса прерывания и определение наиболее приоритетного из них может проводиться различными методами. Рассмотрим один из них. Цепочечная однотактная система определения приоритета запроса прерывания На рис. 14.3 приведена схема, обеспечивающая получение номера наиболее приоритетного запроса прерывания из присутствующих в компьютере на момент подачи сигнала опроса ("дейзи-цепочка") [[7]] Данная схема используется для анализа запросов аппаратных прерываний. Приоритет запросов прерываний (ЗПi) уменьшается с уменьшением номера запроса. В тот момент, когда компьютер должен определить наличие и приоритет внешнего аппаратного прерывания (обычно после окончания выполнения каждой команды), процессор выдает сигнал опроса. Если на входе ЗП3 присутствует сигнал высокого уровня (есть запрос), то на элементе 11 формируется общий сигнал наличия запроса прерывания и дальнейшее прохождение сигнала опроса блокируется. Если ЗП3=0, то анализируется сигнал ЗП2 и так далее. На шифраторе (элемент 12) формируется номер поступившего запроса прерывания. Этот номер передается в процессор лишь при наличии общего сигнала запроса прерывания. Такая структура позволяет быстро анализировать наличие сигнала запроса прерывания и определять наиболее приоритетный запрос из нескольких присутствующих в данный момент. Распределение приоритетов запросов прерываний внешних устройств осуществляется путем их физической коммутации по отношению к процессору. Указание приоритетов - жесткое и не может быть программно изменено. Изменение приоритетов возможно только путем физической перекоммутации устройств. Рис. 14.3. Схема определения номера наиболее приоритетного запроса прерывания