книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

составляет At — AU — А^. При одном блоке (секции) ОЗУ это вре­ мя At для выполнения вычислений не используется. Если исполь­ зуют несколько блоков ОЗУ и соответствующим образом организуют

и УВВ в этом случае идет по словам, но между передачами слов ОЗУ участвует в вычислениях в режиме разделения времени.

Схематически принцип такого обмена показан на рис. 6.3, где внутри любой из k секций ОЗУ выделена буферная зона БЗ. Количе­ ство и место расположения буферных зон может быть определено кон­ кретно, исходя из решаемых задач. При выводе информации слова передаются по информационным шинам в буферный информационный регистр БИРг, а при вводе информации из регистра БИРг в опре­ деленную буферную зону ЁЗ запоминающего устройства.

§ 6.3. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖДУ ВНЕШНИМИ И ОПЕРАТИВНЫМИ ЗУ

Так как информационная емкость оперативного ЗУ, как правило, недостаточна для размещения всех исходных данных и программы решения задач, а также вследствие использования ее значительной части программами операционной системы (см. гл. 7), то при вводе программ часть данных размещается во внешних ЗУ (ВЗУ). Обмен информацией между ОЗУ и ВЗУ в процессе решения задачи осуще­ ствляется различными способами. В программе на входном языке машины можно предусмотреть все необходимые обмены, т. е. все опе­ рации пересылок информации между ОЗУ и ВЗУ, которые могут возникнуть при выполнении программы. Программу так же можно составить, предполагая, что вся информация расположена в ОЗУ, а управляющие программы операционной системы при трансляции программ с входного языка на внутренний язык машины учитывают фактическое размещение информации и вызывают выполнение опера­ ций обмена по мере необходимости в ходе выполнения рабочей про­ граммы.

При организации обмена информацией между различными ступе­ нями иерархии ЗУ необходимо учитывать различия их скоростных

280

характеристик, а также особенностей ВЗУ (циклическая выборка, поиск зоны и т. д.). Для повышения производительности ЦВМ (за счет снижения затрат времени на обмен информацией) целесообразно обмен информацией вести массивами (группами чисел). Креме того, при обработке данных, например при решении экономических задач, операции, как правило, выполняются не над отдельными числами, а над группами определенным образом упорядоченных чисел, назы­ ваемых информационными массивами. В этом случае необходимо осу­ ществлять обмен информации массивами.

Объемы перерабатываемой информации в современных ВС, как правило, превосходят информационную емкость ОЗУ. Так как коли­ чество обменов информации при решении задач зависит от соотноше­ ния емкости ОЗУ и информационной емкости массива передаваемой информации, то для повышения быстродействия ЦВМ необходимо уменьшать количество обменов или совмещать по времени обмен и обработку информации.

В мультипрограммных ВС сложность обмена информацией обу­ словлена еще и тем, что даже при точно определенной стратегии обмена в рамках одной программы операционная система вводит дополнительные операции обмена, которые способствуют эффектив­ ному выполнению нескольких программ в заданный интервал времени. При выполнении программы в режиме мультипрограммной обработки заранее трудно предсказать, какие изменения необходимо ввести в стра­ тегию обмена данной программы, поскольку фактически может быть неизвестно количество и особенности параллельно выполняемых про­ грамм.

Динамический способ осуществления операций обмена программноаппаратным методом позволяет выработать стратегию обмена в ходе выполнения программ исходя из конкретного характера выполняемых процессов переработки информации. При этом решается задача разме­ щения части данных в ОЗУ на различных ступенях иерархии, пере­ сылка и размещение данных в различных типах ЗУ (магнитных лен­ тах, барабанах, дисках и т. д.), определение тех промежутков вре­ мени и массивов данных, которые подлежат пересылке в системе ЗУ. Так как общие принципы организации обмена информации в больших иерархических ЗУ мультипрограммных ЦВМ и ВС разработаны недо­ статочно, то приведем несколько частных примеров организации об­ менов информации.

Рассмотрим некоторые способы образования связи обозначений операндов с местами расположения их в ОЗУ при осуществлении операций обмена, т. е. при пересылке массива чисел в ОЗУ' из ВЗУ.

1. Способ текущей настройки состоит в следующем. Для задани текущего распределения информации в ОЗУ используют сверхопера­ тивное ЗУ (СОЗУ), в котором записываются ассоциативные таблицы соответствия между обозначениями величин (индентификаторами) и их адресами. При помощи этих таблиц всем индентификаторам перемен­ ных программ ставятся в соответствие определенные физические ад­ реса ОЗУ. Следовательно, программная «настройка» аппаратных средств распределения информационной емкости ОЗУ перед каждым

281

этапом обмена является существенной чертой и недостатком данного способа.

2.Метод предварительной нумерации заключается в нумерации всех «идентификаторов переменных в процессе трансляции рабочей программы. В СОЗУ или ОЗУ выделяется линейная последователь­ ность ячеек, порядковые номера которых соответствуют индентификаторам. В эти ячейки заносятся текущие значения адресов и сведения

оразмещении массивов операндов, обозначенных «идентификаторами,

вопределении последовательности ячеек ОЗУ.

3.Принцип динамического распределения информации с помощью использования системы относительных базисных адресов основывается на использовании аппаратных методов, рассмотренных в гл. 4. Базис­ ные адреса соответствуют началу завершенных участков программы. Адреса в программе задаются относительно этих базисных адресов, что позволяет находить физические адреса модификацией адресных частей команд. При вводе нового массива информации в ОЗУ опера­ ционная система освобождает для него место, пересылая части имею­ щихся массивов в другие области ОЗУ, корректирует таблицу распре­ деления массивов и настраивает базисные регистры СОЗУ в соответ­ ствии с фактическим расположением массивов в ОЗУ. Недостатком распределения информационной емкости ОЗУ с помощью базисных регистров является необходимость обмена большими массивами ин­ формации, как правило, соответствующими данным исполняемых

рабочих программ. Поскольку малое число программ, записанных в ОЗУ, вследствие его конечной информационной емкости, не может полностью обеспечить загрузку процессора информацией, то возникают простои последнего при выполнении операций обмена. Кроме того, при заполнении ОЗУ информационными массивами произвольной «длины» в нем могут возникнуть «провалы», т. е. образуются области ОЗУ, в которые нельзя записать какой-либо массив информации вслед­ ствие его нестандартной или неизвестной «длины».

4. Сегментная организация обмена предусматривает разбиение исходных программ на отдельные части (сегменты), в пределах кото­

вам, а в одном сегменте программы имеется п слов, то одновре­ менно в ОЗУ могут быть размещены Nln сегментов одной или раз­ личных программ. Если число сегментов достаточно большое, то вследствие малой вероятности обращения к внешним устройствам при выполнении сегментов различных программ вероятность полной заня­ тости процессора возрастает по мере увеличения числа сегментов ОЗУ. При сегментной организации обмена существенным вопросом является выбор длины сегмента. При большой длине сегмента при прерываниях часто будет возникать необходимость пересылок исполняемого сег­ мента; при малой длине сегмента — выполненные программы сег­ ментов выводятся из ОЗУ по мере выполнения, что так же вызывает большое число обменов. Эффективно изменение размеров сегментов

282

соответствия (см. рис. 6.4, б). При выполнении данной программы ее номер заносится в РгП и подготавливает (активизирует) определенную таблицу соответствия. Код команды заносится в РгК■ По заданному номеру математической страницы из таблицы соответствия извле­ кается код адреса начала физической страницы, который передается

врегистр адреса определенного ЗУ.

6.На рис. 6.5 приведена структурная схема адресации при боле

сложном способе сегментно-страничной организации ЗУ. В этом слу­ чае те страницы информации, которые целесообразно передавать между ОЗУ и ВЗУ, объединяются в информационные массивы, назы-

ваемые сегментами. Каждое число программы имеет номер строки, страницы и сегмента.

При выполнении заданной программы на регистр программ РгП заносится номер программы. По этому номеру программы из каталога таблиц соответствия программы извлекается адрес программ, кото­ рый в сумме с номером сегмента в сумматоре СМХобразует код адреса для обращения к таблице соответствия сегментов. Номер сегмента, номер страницы и номер строки для образования физического адреса считываются из соответствующих частей адресной части регистра команд РгК.

На сумматоре формируется адрес обращения к таблице соответ­ ствия страниц, по которому из последней извлекается адрес начала физической страницы в определенном типе ЗУ. Код номера строки переписывается в регистр адреса ЗУ РгА ЗУ как адрес числа в физиче­ ской странице. Отметим, что в таблицах соответствия, кроме кодов реальных ЗУ,, так же хранится информация о типе ЗУ, к которому относится данная информация. Кроме того, если в таблице соответ­ ствия записаны признаки передач частей страниц, некоторых страниц

284

сегментов, то в данном типе ЗУ недостаточно места для размещения всех страниц обрабатываемого сегмента программы.

Процедура преобразования адресов может быть выполнена про­ граммным способом при использовании областей ОЗУ в качестве таб­ лиц соответствия или программно-аппаратным способом с -использо­ ванием специальных СОЗУ для хранения таблиц соответствия. В пер­ вом случае увеличиваются временные затраты на выполнение опера­ ций формирования адресов, во втором — существенно усложняется аппаратная часть ЦВМ или ВС, но снижаются затраты времени и упро­ щается работа операционной системы.

Учет свободных страниц физического ЗУ и размещение массивов информации с заданными математическими адресами в ОЗУ и ВЗУ осуществляется операционной системой. Она определяет моменты обмена информации и производит пересылку массивов информации между ОЗУ и ВЗУ. Начало обмена определяется автоматически фор­ мированием сигнала отсутствия требуемого сегмента или страницы в ОЗУ. При этом вырабатывается сигнал прерывания на запрос обмена

сВЗУ определенного типа.

§6.4. МУЛЬТИПЛЕКСНЫЕ И СЕЛЕКТОРНЫЕ КАНАЛЫ

ИПРИНЦИПЫ ИХ РАБОТЫ

Мультиплексный канал предназначен для параллельного обслу­ живания нескольких медленно действующих внешних устройств. В программе работы ВС предусматриваются команды ввода — вывода, которые содержат необходимую для управления определенными УВВ информацию. Рассмотрим работу мультиплексного канала с буферным накоплением в ОЗУ (рис. 6.6) в режимах записи и считывания инфор­ мации.

Устройства ввода — вывода УВВг, УВВ.,, ..., УВВК со своими блоками местного управления ЕМ У связаны через совокупность информационных шин считывания Ш2 и записи Ш2с буферными инфор­ мационными регистрами БИРгг и БИРг2. В рассматриваемом при­ мере эти регистры имеют информационную емкость в восемь байт, обмен между УВВг ч- y B B N и БИРг1 и БИРг2 идет по байтам.

Для выполнения команды «запись» в запоминающее устройство канала ЗУК передается номер (адрес) устройства ввода— вывода, адрес первого числа массива и код числа слов массива, который тре­ буется передать в УВВг. В ЗУ К так же передается полная информация о месте нахождения той зоны информационного носителя УВД,-, в кото­ рую следует записать информацию. Информационное слово, записан­ ное в ОЗУ по первому адресу, также передается в одну ячейку ЗУК, служащую в качестве временного буфера. Адрес УВВ,- одновременно с передачей в ЗУ К передается в блок местного управления канала, расшифровывается в нем и запускает требуемое УВВ в работу. В Б МУ этого УВВ так же передается информация об адресе зоны записи. Устройство начинает выполнять подготовительные операции по за­ пуску и поиску требуемой зоны, например на' перфоленте, и в это время оно не связано с аппаратными средствами канала, который на

285

этот промежуток времени может, заниматься выполнением других операций или их частей.

После окончания подготовительных операций Б М У УВВ/ выдает сигнал готовности на схему приоритета СхПр. Блок местного управ­ ления канала БМ УК анализирует запросы периодически сдостаточно высокой частотой. При появлении сигнала с Сх Пр происходит его шнфрация и код адреса подготовленного УВВ: подается в адресный регистр ЗУК, где в соответствии с этим адресом производится выбор команды и информационного слова. Команда содержит код номера УВВ, код адреса начала массива КАНМ (номер зоны), а так же код количества слов в зоне. Последний заносится в счетчик слов СчС ре­ гистра команд РгК. В составе РгК также имеется счетчик байтов СчБ.

Рис. 6.6. Структурная схема мультиплексного канала

Команда поступает в регистр команды РгК, модифицируется добавле­ нием + 1 к начальному адресу первого слова массива, вычитанием —1 из кода числа слов в массиве. Модифицированный код команды запи­ сывается обратно в ЗУ К • Информационное слово, выбранное в БИРг1 по сигналу БМ УК сдвигается на восемь разрядов (байт) и передается на информационные шины записи U1L. Код байта принимается только тем устройством ввода — вывода, адрес которого соответствует адресу выбранного устройства ввода — вывода. Сдвинутое информационное слово передается из БИРгг в БИРг2 и содержит уже семь байтов ин­ формации. Это сдвинутое слово вновь записывается в ЗУК и аппа­ ратные средства канала могут приступить к работесо следующим устройством ввода — вывода. После приема и записи первого байта БМ У вновь формирует запрос, при его исполнении передается и запи­ сывается второй байт, затем третий и т. д. При всех передачах байтов происходит подсчет числа переданных байтов добавлением + 1 в счет­ чик байтов СчБ, входящий в состав РгК. После передачи восьми бай­

2 86

няется по-байтовая запись частей слова в выбранном устройстве ввода — вывода.

При считывании информации канал работает аналогично, за исклю­ чением того, что информация по шинам Шг заносится в БИРг2.

Число УВВ, которые могут одновременно функционировать в ка­ нале, определяется следующим. Пусть время между передачей и обра­ боткой двух байтов самого быстродействующего устройства УВВ составляет А/, а время передачи двух байтов всех остальных устройств равно т. Тогда число N одновременно функционирующих УВВ выби­ рается из соотношения:

N < Ai/т.

Если одновременно два УВВ выработали сигнал готовности, то схема приоритета удовлетворяет один запрос и задерживает вы­ полнение другого. Если устройство, запрос которого задержан, через некоторое время теряет возможность продолжения обмена, то блок местного управления вновь выполняет подготовительные - функции и посылает новый сигнал запроса.

Дляподключения наиболее быстродействующих УВВ используют селекторный канал. Несмотря на то, что к одному селекторному каналу подключают несколько УВВ, однако с каждым из них канал работает индивидуально, т. е. в монопольном режиме. Только полно­ стью закончив работу с одним УВВ, селекторный канал переходит к работе с другим УВВ, хотя некоторые операции УВВ могут выпол­ няться параллельно, если они не требуют использования средств ка­ нала, например поиск зоны на магнитной ленте или перевод магнит­ ных головок из одного места в другое.

Рассмотрим основные особенности и структуру селекторного канала (рис. 6.7). Для обмена информацией процессор выдает в блок местного управления селекторного канала БМ УСК сигнал запроса СЗ. Если СЗ принят, то из ОЗУ в БМУСК передается код операции КОп, код адреса УВВ К А УВВ и код номера зоны носителя информации КН З Н И . Приняв эту информацию, БМУСК дешифрирует адрес требуемого yBBi и посылает сигналы запуска, характера работы и координаты зоны носителя информации. Дальнейшей работой УВВк управляет его местный блок управления БМУ.

При обмене информацией в регистр команды РгК селекторного ка­ нала поступает из ОЗУ код адреса начала массива КАНМ , код коли­ чества слов, заносимых в счетчик слов СчС. В составе РгК имеется также счетчик байтов СчБ.

Для выполнения операции «запись» БМ У УВВ после нахождения требуемой зоны подает сигнал готовности к работе, который в БМУСК вырабатывает сигнал обращения к ОЗУ по адресу начала массива. Информационное слово из выходного информационного регистра ОЗУ передается на буферный информационный регистр БИРг селекторного канала. По сигналам со счетчика байтов, запускаемых БМУСК, дешифратор байтов ДШБ вырабатывает сигналы выдачи байтов, поступающие на схему выдачи байтов СхВБ, к которой подключены информационные шины записи ШЗп УВВ. После выдачи всех байтов

287

имеет место переполнение СчБ, сигнал переполнения используется для модификации кода адреса начала массива и кода количества пере­ даваемых слов. Б МУСК производит обращение к ОЗУ по новому адресу, второе информационное слово принимается на БИРг, разво­ рачивается по байтам и т. д. Обращение в нуль содержимого СчС соответствует записи всех слов в заданную зону УВВ,, сигнал обнуле­ ния СчС используется для остановки УВВг.

Рис. 6.7. Структурная схема селекторного канала

Работа селекторного канала при выполнении команды «считыва­ ние» происходит аналогично, только информация по кодовым шинам считывания ШСч УВВ через схему приема байтов СхПрБ заносится

вбуферный информационный регистр БИРг, а затем передается в вы­ ходной информационный регистр ОЗУ. Адрес слова в ОЗУ формируется

вРгК и передается в регистр адреса РгА ОЗУ.

БМУСК получает все время информацию от Б М У УВВ, по его состоянию и формирует код состояния селекторного канала КССК, а так же код состояния устройства ввода — вывода КС УВВ.

§ 6.5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УВВ ИНФОРМАЦИИ НА ПЕРФОНОСИТЕЛЯХ

Перфоносители и их свойства. В общем случае носителем инфор­ мации называют физическую среду, используемую для записи и на­ копления информации. Перфоносителем является материальный объект в виде отдельной карты (перфокарты) из плотной бумаги или в виде ленты' (перфоленты) из бумаги или пластмассы.

Регистрация информации на перфоносителях производится путем перфорирования (пробивки) отверстий в точках с определенными ко­ ординатами. Использование двоично-кодирозанных представлений цифр, букв или других символов позволяет наносить на перфоноси­ тели цифровую и символьную информацию любого типа. С помощью перфоносителей информация может быть введена и выведена из ма­

283

шины. Информация на перфоносителях легко Питается человеком. Таким образом, перфоносители являются универсальными носителями УВВ информации.

Перфокарты. В устройствах УВВ информации ЦВМ и ВС наиболее широко используют восьмидесятиколонные перфокарты.

Стандартизация размеров, характера и расположения перфора­ ций, а также способа представления алфавитно-цифровой информа­ ции, позволяет стандартизировать также и оборудование для работы с перфокартами и делает эффективным обмен перфокартными фондами между вычислительными центрами.

Перфоленты. В вычислительной технике наиболее широко исполь­ зуют пяти- и восьмидорожечные перфоленты, хотя также применяют шести- и семидорожечные. Количество дорожек у определяет количе­ ство кодовых комбинаций k = 2 \ например при у = 8 k = 256 сим­ волам. Кодовые комбинации пробивок располагаются поперек ленты. Шаг пробивок вдоль ленты обычно равен 2,5 мм, причем1каждой группе кодовых пробивок соответствует одна перфорация меньшего диаметра, определяющая координату расположения пробивок кода. Совокуп­ ность последовательно пробитых координатных отверстий называют

дорожкой сигнализации.

Ввод информации с перфоносителей. Ввод информации с перфоно­ сителей осуществляется с помощью считывающего устройства. Обычно используют два метода считывания: контактный и бесконтактный. При использовании контактного метода металлические щетки, щупы или иглы, попадая в отверстия, замыкают электрическую цепь и вызы­ вают появление сигнала. Бесконтактный метод считывания может ис­ пользовать фотоэлектрический, пневматический или емкостный ме­ тод. Луч света, проходя через отверстие в перфоносителе, попадает на фотосопротивление, фотодиод или фототранзистор и вызывает появление электрического сигнала в цепи, куда включен фотоприем­ ник. Пневматическое считывание основано на восприятии воздушного потока через отверстие, а емкостное — на изменении величины емкости в случае наличия или отсутствия отверстия.

Практически наиболее широкое распространение получил фото­ электрический метод считывания информации. Он обеспечивает надеж­ ность и высокое быстродействие считывающего устройства.

Устройства подготовки данных на перфоносителях. Для подго­ товки данных на перфоносителях используют комплект устройств, включающий в себя перфоратор; контрольно-считывающее, реперфо­ рирующее, сортирующее (для перфокарт) устройства.

Рассмотрим основные функциональные особенности, назначение и составные блоки перечисленных устройств. На рис. 6.8 приведена функциональная схема перфоратора, состоящего из клавишного блока Кл Б ; блока кодирования Код Б ; системы пуансонов СП с привод­ ными механизмами и механизм движения носителя информации МД. При нажатии одной из клавиш, соответствующей определенному сим­ волу, блок кодирования вырабатывает определенную совокупность выходных сигналов. Эти сигналы возбуждают обмотки определенных соленоидов СП. Пуансоны с заданным усилием пробивают отверстия