книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

грамме во время ее загрузки или выполнения. При таком режиме работы возможности параллельной работы основных устройств ма­ шины используются неполностью.

Режим пакетной обработки представляет собой способ органи­ зации одновременного решения нескольких задач в ЦВМ, при ко-' тором вся необходимая информация (программы, исходные дан­ ные) вводится в ЗУ машины заранее, до начала решения задач, а в ходе их решения вмешательство потребителей с пульта ие допу­ скается. При таком режиме работы потребители, как правило, не имеют непосредственного доступа к машине. Заранее подготовлен­ ные ими задачи (программы) сдаются операторам (программи­ стам), из них формируется пакет программ, который затем реали­ зуется. Через определенное время потребители получают резуль­ таты решения задач. Основная цель организации режима пакетной обработки — минимизация времени на реализацию заданного на­ бора задач (программ) за счет обеспечения параллельной работы основных устройств машины.

Программы, собираемые в пакет, могут иметь различные прио­ ритеты. В режиме пакетной обработки, как и в других режимах работы ЦВМ, может использоваться как система статических, так и система динамических приоритетов. В первом случае приоритет программы является абсолютным, не связанным с динамикой про­ цесса реализации пакета. Во втором случае присвоение программе того или иного приоритета осуществляется в ходе выполнения про­ грамм пакета. Присвоение динамических приоритетов связывается, например, с временем ожидания программ в процессе реализации пакета.

Режим работы с разделением времени — это такой способ орга­ низации решения задач, при котором некоторое число независимых абонентов (потребителей) с помощью периферийных устройств ввода — вывода имеет в процессе решения своих задач непосред­ ственный, постоянный и одновременный доступ к ЦВМ. Каждый абонент имеет в своем распоряжении собственные средства связи с машиной, с помощью которых он может обращаться к ней в лю­ бой момент времени. При одновременном обращении нескольких абонентов машина реагирует на их запросы с задержкой времени, которая, с точки зрения каждого абонента, представляется такой же, как и при индивидуальном пользовании, что вытекает из факта несоответствия скоростей реакции человека и современных ЦВМ.

В отличие от режима пакетной обработки организация режима разделения времени требует дополнительного оснащения машины аппаратурой селекторных и мультиплексных каналов для обеспече­ ния оперативной связи с абонентами и соблюдения определенных временных соотношений между моментами запросов абонентов и реакции ЦВМ на эти запросы. Режим разделения времени сочетает эффективное использование возможностей ЦВМ с предоставлением человеку удобств индивидуального пользования.

Режим работы запрос — ответ представляет собой такой способ организации решения задач абонентов, при котором их программы

20

снижения трудоемкости подготовительной работы при решении за­ дач на машине.

Все МО можно разделить на две группы — общее и специаль­ ное. Общее МО позволяет повысить эффективность использования машины, облегчает ее техническую эксплуатацию, упрощает работу по подготовке задач к решению. Такое МО решает задачу приме­ нения ЦВМ как некоторой универсальной системы обработки ин­ формации. Специальное МО представляет собой комплекс про­ грамм, которые добавляются к общему МО и обеспечивают функ­ ционирование ЦВМ как некоторой специализированной системы обработки информации.

Общее МО состоит из трех систем: системы тестов, системы ав­ томатизации программирования и операционной системы. В систе­ му тестов входят тестовые программы, с помощью которых облег­ чается техническая эксплуатация ЦВМ, так как они дают возмож­ ность не только установить факт неисправности машины (контро­ лирующие программы), но и локализовать неисправность (диагно­ стические программы).

Системой автоматизации программирования (САП) называется часть МО, обеспечивающая всестороннюю автоматизацию процесса получения рабочих программ. Развитые САП включают алгорит­ мические языки, трансляторы (программы перевода рабочих про­ грамм с алгоритмических языков на машинный язык), интерпре­ тирующие и компилирующие системы, библиотеки стандартных программ, программы сервиса и т. д. Объем и разнообразие средств, представленных в САП, в конечном счете определяют «квалификацию» машины, удобство ее использования абонентами и программистами.

Операционная система (ОС) представляет собой программно­ аппаратурный комплекс, объединяющий средства организации про­ цесса функционирования ЦВМ. Основные функции ОС: управление обменом информацией между внешними абонентами и машиной, планирование и организация многопрограммной работы машины, оперативное управление работой всех устройств ЦВМ в процессе решения задач, обеспечение контроля работоспособности машины, обеспечение долговременного хранения информационных массивов (личных архивов) абонентов.

К операционной системе предъявляется ряд требований, основ­ ные из которых следующие:

— ОС должна обладать свойством структурной гибкости, спо­ собностью изменяться и пополняться новыми управляющими и об­ служивающими программами; структурная гибкость обычно дости­ гается путем использования модульного принципа построения ОС;

— система должна предоставлять абонентам максимум удобств в сочетании с наиболее эффективным использованием ЦВМ;

— ОС должна сводить к минимуму простои оборудования

.(главным образом процессора), связанного с вмешательством опе­ ратора или абонента в процесс обработки информации машиной;

22

— потери времени на работу ОС должны быть минимальными. Затраты машинного времени на работу ОС существенно зави­ сят от соотношения между аппаратурной и программной частями этой системы. В общем случае чем больше удельный вес аппаратур­ ной части, тем сложнее ЦВМ, но тем меньше затрачивается време­ ни на работу ОС, и наоборот. В аппаратурную часть ОС входят переключатели режимов работы ЦВМ, схемы выработки сигналов прерываний, регистры прерываний, схемы управления прерыва­ нием, счетчики времени для выработки периодических временных

сигналов и т. д.

Программная часть ОС представляет собой иерархический на­ бор управляющих и обслуживающих программ, верхний уровень которого определяет стратегию, а последующие — тактику прохож­ дения задач через ЦВМ. Стратегия управления зависит от харак­ теристик задач и имеющихся ресурсов машины, тактика — от теку­ щего состояния ЦВМ, времени нахождения в машине задач, подлежащих решению, количества этих задач, времени на их обслуживание и т. д.

Набор программ ОС зависит от возможностей машины и требо­ ваний, предъявляемых к ней. Иначе говоря, структура и функции ОС в значительной мере определяются не только характером за­ дач, решаемых ЦВМ, но и логической структурой конкретной ма­ шины. Поэтому ОС должна разрабатываться одновременно с про­ ектированием аппаратурной части машины.

В литературе по цифровым вычислительным машинам и систе­ мам получило распространение деление ОС на такие части: дирек­ тор, монитор, супервизор.

Директор — это часть ОС, которая направляет и контролирует работу остальных компонентов ОС. Он осуществляет перестройку ОС при переключении режимов функционирования, принимает и организует выполнение приказов, поступающих от оператора, информирует оператора о ситуациях, требующих его вмеша­ тельства.

Монитором называется часть ОС, реализующая оперативное планирование и управление выполнением основных программ в различных режимах работы, распределение физической памяти между основными программами, подготовку программ к выпол­ нению.

Супервизор — это набор управляющих программ, обеспечиваю­ щих взаимодействие ЦВМ с устройствами ввода — вывода.-Его основные функции: обслуживание работы устройств ввода — выво­ да в нормальных и аварийных ситуациях, ввод информации с со­ ответствующего устройства ввода — вывода в заданную область оперативной памяти машины, вывод информации из заданной области оперативной памяти в соответствующее устройство ввода —■ вывода, устранение причин сбоев в работе устройств ввода — вы­ вода самостоятельно или с привлечением операторов.

Совокупность супервизора и монитора часто называют диспет­ чером.

23

Для размещения всех программ ОС требуется достаточно боль­ шой объем памяти. Обычно не представляется возможным хранить все программы ОС в ОЗУ машины. В оперативной памяти по­ стоянно размещается лишь определенная часть ОС, получившая название резидентной части. В состав резидентной части ОС вхо­ дят программы, наиболее часто используемые при управлении вы­ числительным процессом.

§ 1.5. Организация функционирования ЦВМ в режиме пакетной обработки

Организация работы ЦВМ в режиме пакетной обработки связа­ на с решением таких вопросов, как выбор дисциплины (порядка) реализации рабочих программ пакета, выбор вида пакетной обра­ ботки, подготовка рабочих программ к пакетной реализации, пла­ нирование загрузки устройств ЦВМ.

Выбор той или иной дисциплины реализации рабочих про­ грамм определяется назначением ЦВМ и характером решаемых задач. Если задачи дифференцируются по своей срочности и важ­ ности, для них устанавливаются соответствующие уровни приори­ тетов с таким расчетом, чтобы в первую очередь и в приемлемые сроки были решены наиболее важные задачи. Приоритетность за­ дач внутри данного пакета может устанавливаться по степени их важности и по информационной связности: если для некоторой за­ дачи в качестве исходных данных используются результаты (про­ межуточные или окончательные) решения другой задачи, то эта другая задача, естественно, должна решаться в первую очередь. Как уже отмечалось, в режиме пакетной обработки может исполь­ зоваться как система статических, так и система динамических приоритетов. Наилучшие результаты с точки зрения обеспечения минимальных затрат машинного времени на реализацию пакета задач получаются в том случае, если эти задачи независимы (ин­ формационно не связаны) и равноценны по своей важности и сроч­ ности.

Можно выделить следующие виды пакетной обработки в много­ программной ЦВМ:

— реализация задач пакета без сегментации (распараллелива­ ния) рабочих программ, принадлежащих этому пакету;

— реализация задач пакета с сегментацией рабочих про­ грамм.

В первом случае рабочие программы, входящие в реализуемый пакет, выполняются в такой последовательности, чтобы, с одной стороны, обеспечить в первую очередь выполнение программ с наи­ более высоким уровнем приоритета и, с другой стороны, затратить минимум суммарного машинного времени на выполнение всех программ пакета. При этом рабочие программы не сегменти­

24

Второй вид пакетной обработки отличается от первого тем, что рабочие программы, входящие в пакет, предварительно разбивают­ ся программистами на куски (сегменты), которые могут выпол­ няться независимо и одновременно. Поэтому при том же количестве рабочих программ в пакете задача планирования загрузки ЦВМ усложняется, зато с лучшим результатом решается задача по обес­ печению минимальных затрат машинного времени на реализацию пакета. Распараллеливание рабочих программ пакета особенно эффективно в том случае, когда число программ сравнительно не­ велико и они резко отличаются по своим размерам.

После установления связности рабочих программ и их распа­ раллеливания решается задача планирования загрузки основных устройств ЦВМ — процессора, запоминающих устройств, устройств ввода — вывода. Эта задача называется также задачей планиро­ вания многопрограммной работы ЦВМ.

Планирование многопрограммной работы ЦВМ является одной из важных и самостоятельных задач организации многопрограммной работы машины. Основная цель такого планирования состоит в том, чтобы путем лучшей организации работы машины (а не за счет использования ЦВМ более высокой производительности) по­ высить эффективность ее функционирования. Это повышение достигается путем создания оптимального, субоптимального или при­ ближенного плана выполнения рабочих программ пакета, в кото­ ром определяется последовательность выполнения программ или их сегментов с учетом приоритетности и связности. В качестве основ­ ного показателя эффективности планирования многопрограммной работы ЦВМ, как правило, принимается время Т3ш, затрачиваемое на выполнение заданного набора рабочих программ. Это время за­ висит не только от качества плана многопрограммной работы ма­ шины, но и от того, насколько качественно выполнен предшествую­ щий этап по распараллеливанию рабочих программ.

Различают неоперативное планирование многопрограммной работы ЦВМ и оперативное. Неоперативное планирование осущест­ вляется для выработки плана выполнения рабочих программ пакета применительно к некоторым типовым ситуациям функциониро­ вания ЦВМ. Следовательно, оно производится заранее, не в дина­ мике работы машины. Для каждой типовой ситуации составляется свой план выполнения программ пакета, а реализация планов осу­ ществляется в процессе функционирования ЦВМ по мере возникно­ вения соответствующих ситуаций. Очевидно, что неоперативное планирование целесообразно проводить для ЦВМ с ограниченным перечнем решаемых задач, для которых составлены программы и известно время выполнения каждой программы на машине. Кроме того, наборы программ должны быть более или менее стабильны­ ми, а надобность в их выполнении должна возникать неоднократ­ но, так как в противном случае не окупаются потери времени, в том числе и машинного, на составление планов.

Оперативное планирование проводится в динамике функциони­ рования ЦВМ непосредственно перед началом реализации посту­

25

пившей в машину к данному моменту времени группы задач. Оно осуществляется с учетом сложившейся к этому моменту ситуации: занятости машины решением задач определенной приоритетности,

26

ствляет динамическое распределение памяти, управляет процес­ сом обмена информацией между ОЗУ и ВЗУ, вызывая активные программы или активные участки программ в ОЗУ и возвращая из ОЗУ в ВЗУ те программы или их сегменты, которые в течение опре­ деленного времени не будут использоваться. На распределитель воз­ лагаются также функции организации системы защиты памяти, поэтому его структура во многом определяется структурой этой си­ стемы, особенно характером встроенных в нее аппаратурных средств распределения и защиты памяти.

В составе диспетчера может быть несколько программ преры­ вания. Обычно они специализируются по причинам прерывания, для чего назначаются программы, обслуживающие запросы от

устройстве прерывания, либо указывается в командах обращения к диспетчеру. Программа прерывания, восприняв код прерывания, дешифрирует его и определяет возможность удовлетворения запро­ са на обслуживание путем передачи управления одной из про­ грамм диспетчера. В частности, если пришел запрос на решение срочной задачи, для которой рабочая программа составлена зара­ нее и хранится в ВЗУ системы, соответствующая программа преры­ вания передает управление планирующей программе. Планирую­ щая программа составляет новый план реализации набора рабочих программ, включающего и программу, соответствующую срочному запросу.

В современных ЦВМ операции по вводу информации в машину или выводу результатов решения задач на устройства регистрации и документирования, а также по передаче этих результатов або­ нентам осуществляются одновременно с реализацией рабочих про­ грамм. Управление операциями ввода — вывода производится с помощью соответствующих программ диспетчера, которые включа­ ются в работу планирующей программой. Если, таким образом, в ходе реализации некоторой рабочей программы окажется необхо­ димым ввести для нее массив информации из ВЗУ в ОЗУ, управле­ ние вводом берет на себя диспетчер. Если бы управление осуще­ ствлялось самой рабочей программой, то на время ввода процес­ сор машины бездействовал бы.

Уменьшение простоев устройств ввода в ЦВМ достигается пу­ тем использования способа предварительной комплектации данных. Для этого заявка на решение задачи должна содержать сведения о необходимом объеме исходных данных. Данные комплектуются по командам программы управления вводом. Комплектация счи­ тается законченной, если в памяти машины собрана вся инфор­ мация, необходимая для решения данной задачи. Задачи, для которых укомплектованы все необходимые данные, включаются в список активных задач. Порядок их выполнения координируется планирующей программой. Аналогично с целью исключения зна­ чительных простоев устройств вывода производится предваритель­ ная комплектация выводимой информации.

27

Глава II

МАШИННАЯ АРИФМЕТИКА

§2.1. Позиционные системы счисления

ВЦВМ арифметические действия производятся над числами, представленными в виде специальных (машинных) кодов в приня­ той для данной машины позиционной системе счисления.

Под системой счисления понимается способ наименования и изо­ бражения чисел с помощью символов, имеющих определенные ко­ личественные значения.

Символы, применяемые для изображения чисел, называются цифрами.

В зависимости от способа изображения чисел с помощью цифр системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.

Позиционной называется система счисления, в которой количе­ ственное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе.

Примером такой системы может служить общепринятая в на­ стоящее время арабская (десятичная) система счисления.

Внепозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении положения в записи чис­ ла, как, например, в римской системе.

Впозиционной системе счисления любое число, например сме­

шанное, записывается в виде последовательности цифр:

часть имеет т разрядов, а дробная — / разрядов.

Каждая цифра щ, в записанной последовательности может при­ нимать одно из некоторого количества N возможных значений,

т. е. N—1 ^ ah ^>0.

29