Аппаратные средства вычислительной техники. Ч.1. Лабораторный практикум

6.Как влияет выполнение трех программ на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

7.Как влияет длина исполняемых программ на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

8.Как влияет количество операций вывода на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

9.Как влияет размер страницы на характеристики компьютера при печати

сиспользованием буфера?

10.Чем занят центральный процессор при выполнении печати с использованием буфера?

11.Как влияет быстродействие процессора на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

12.Как влияет пропускная способность системной шины на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

13.Как влияет пропускная способность шины памяти на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

14.Как влияет быстродействие принтера на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

15.Как влияет быстродействие принтера на характеристики компьютера при печати с использованием буфера?

40

Лабораторная работа №4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ПРЯМОГО ДОСТУПА К ПАМЯТИ КОМПЬЮТЕРА В ОДНОПРОГРАММНОМ

РЕЖИМЕ

Краткая теория

Цель работы. Изучение принципов выполнения операции прямого доступа в память современных компьютеров, работающих в однопрограммном режиме, с помощью простейшей имитационной модели.

Операции ввода-вывода в современных компьютерах могут выполняться в одном из двух основных режимов:

1)программно-управляемый режим, который предполагает непосредственное участие центрального процессора;

2)прямой доступ, реализуемый под управлением контроллера ввода-вывода.

Первый режим характеризуется тем, что все действия, связанные с вводом или выводом, реализуются командами прикладной программы.

Для большинства внешних устройств до выполнения рассматриваемых операций надо убедиться в их готовности к обмену. Общее состояние устройства характеризуется флагом готовности READY, называемым иногда также флагом готовности/занятости (READY/BUSY). Процессор проверяет флаг готовности с помощью одной или нескольких команд. Если он установлен, то инициируется, собственно, ввод или вывод одного или нескольких слов данных. Когда флаг сброшен, процессор выполняет цикл из 2-3 команд. После этого он повторно проверяет флаг READY до тех пор, пока устройство не будет готово к операциям ВВ. Описываемый цикл называется циклом ожидания готовности ВУ и реализуется в различных процессорах по-разному.

При пересылке данных из внешнего устройства в оперативную память при программно-управляемом режиме процессор должен выполнить следующую последовательность операций:

41

1)сформировать начальный адрес области ОП для обмена;

2)занести длину передаваемого массива в один из своих внутренних регистров, который будет играть роль счетчика;

3)выдать команду чтения информации из ВУ; при этом на шину адреса из процессора выдается адрес внешнего устройства, на шину управления – сигнал чтения из ВУ, а считанные данные заносятся во внутренний регистр процессора;

4)выдать команду записи информации в ОП; при этом на шину адреса из процессора подается адрес ячейки оперативной памяти, на шину управления – сигнал записи в ОП, а на шину данных выставляются данные из регистра процессора, в который они были помещены при чтении из ВУ;

5)модифицировать регистр, содержащий адрес оперативной памяти, чтобы перейти к новой ячейке;

6)уменьшить счетчик длины массива на размер переданных данных;

7)если переданы не все данные, то повторить шаги 3 – 6, в противном случае закончить обмен.

Основной недостаток программного ввода-вывода связан с непроизводительными потерями времени процессора в циклах ожидания. К достоинствам следует отнести простоту его реализации, не требующей дополнительных аппаратных средств.

Таким образом, программно-управляемый обмен ведет к нерациональному использованию мощности микропроцессора, который вынужден выполнять большое количество относительно простых операций, приостанавливая работу над основной программой. При этом действия, связанные с обращением к оперативной памяти и внешнему устройству, обычно требуют удлиненного цикла работы микропроцессора, что приводит к еще более существенным потерям производительности.

Альтернативой программного ввода-вывода является способ, при котором устройство само оповещает процессор о своей готовности. Он использует прерывания, которые инициируются внешним устройством, генерирующим соответствующий сигнал. Для обработки пре-

42

рываний в процессор встраивается соответствующий контроллер. Так, в процессор Pentium был добавлен улучшенный программируе-

мый контроллер прерываний – APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller). Начиная с этого процессора, каждая следующая модель снабжалась интегрированным локальным контроллером (Local APIC). Он использовался в многоядерных и многопроцессорных системах.

Режим прямого доступа является альтернативой программноуправляемому обмену. Он представляет собой способ подключения внешнего устройства, при котором это устройство обращается к оперативной памяти, не прерывая работы процессора. Такой обмен происходит под управлением контроллера прямого доступа к памяти (КПДП).

Основное назначение прямого доступа (ПДП – DMA, Direct Memory Access) – передача данных между разными устройствами с минимальным привлечением процессора. Как правило, одним из этих устройств является оперативная память, хотя иногда возможны передачи как между двумя внешними устройствами, так и из памяти в память. Прямой доступ позволяет осуществлять обмен данными между внешним устройством и оперативной памятью параллельно с выполнением программы процессором. При этом увеличивается производительность компьютера за счет того, что данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Современные контроллеры ПДП – многоканальные, что позволяет поддерживать несколько каналов доступа к памяти от разных периферийных устройств. Схема включения КПДП в состав компьютера представлена на рис. 4.1. Перед началом работы контроллер необходимо инициализировать: занести начальный адрес области ОП, с которой производится обмен, и длину передаваемого массива данных. В дальнейшем по сигналу запроса прямого доступа контроллер фактически выполняет все те действия, которые обеспечивал микропроцессор при программно-управляемой передаче.

43

7)уменьшение значения в счетчике данных на размер переданных данных;

8)проверка условия окончания сеанса прямого доступа (обнуление счетчика данных или снятие сигнала запроса на ПДП). Если условие окончания не выполнено, то изменяется адрес в регистре текущего адреса на размер переданных данных и повторяются шаги 5 – 8.

В лабораторной работе исследуется работа компьютера, структура которого приведена на рис. 4.2. Он содержит центральный процессор, оперативную память, северный и южный мосты, а также внешние запоминающие устройства.

Режим DMA используется, если требуется заполнить ячейки памяти, имеющие последовательные адреса. При этом выполняются следующие операции:

1)размер данных записывается в регистр контроллера DMA;

2)передается адрес первой ячейки;

3)в цикле осуществляется пересылка данных указанного размера.

Рис. 4.2. Структура компьютера, исследуемого в лабораторной работе

45

Контроллер DMA может получать доступ к системной шине независимо от процессора и имеет несколько регистров. Регистры контроллера DMA доступны ЦП для чтения и записи и задают:

a)номер порта, который должен быть использован для передачи данных;

b)вид операции (чтение или запись);

c)логическую единицу передачи данных (побайтно или пословно);

d)размер данных (в байтах), которые следует передать.

Так, при чтении данных с устройства в ОП процессор записывает значения в регистры контроллера DMA и отправляет устройству (например, ВЗУ) команду на чтение данных.

1.Устройство читает данные и записывает их в свою внутреннюю память (буфер).

2.Контроллер DMA устанавливает на адресную шину адрес памяти компьютера и отправляет устройству запрос на чтение данных из буфера.

3.Устройство получает запрос и при этом даже не знает, от какого устройства он пришёл: от ЦП или контроллера ПДП.

4.По этому запросу оно пересылает очередное слово из буфера в оперативную память по адресу, находящемуся на адресной шине.

5.Затем устройство посылает контроллеру DMA сигнал, сообщающий об окончании записи.

6.Контроллер увеличивает адрес ОЗУ и выставляет его на адресную шину, уменьшает значение своего счётчика байтов и снова отправляет запрос на чтение данных из буфера устройства.

Операции 1 – 6 повторяются, пока значение счётчика не станет равно нулю. После окончания этого цикла устройство инициирует прерывание процессора, сообщающее о завершении передачи данных.

Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется на персональном компьютере с ОС Windows. Программа имитационного моделирования подсистемы прямого доступа имеет имя evm-2.1.jar и находится в папке

46

Лаб_4. Она разработана на языке java с использованием интегрированной среды NetBeans. Для запуска программы необходимо наличие

всистеме java runtime environment (jre) не ниже версии 1.6.

Вимитационной модели можно задать:

a)параметры основных устройств компьютера;

b)состав моделируемых программ (от одной до трех, в данной работе должна исследоваться одна программа);

c)характеристики этих программ.

Моделируемая программа состоит из заданного количества команд, между которыми в случайные места вставляются операции обращения к файлу. Выполнение этой программы начинается с первого этапа процессорной обработки. Как только встречается команда обращения к файлу, происходит прерывание процессора. Сигнал прерывания через системную шину, северный и южный мосты поступает в порт ВЗУ, на котором находится соответствующий файл. При этом процессор прекращает обслуживание текущей программы.

Прерывание процессора инициирует выполнение операции поиска начальной метки файла. Она выполняется контроллером ВЗУ. Время поиска равно среднему времени доступа к накопителю, которое является его основной характеристикой. В модели оно постоянно и для наглядности равно 1000 мс. В реальных компьютерах это время составляет от 3 до 8 мс.

Далее выполняется прямой доступ в память. Им управляет контроллер ВЗУ. При чтении данных с этого устройства записи накапливаются в его буфере, а затем передаются через южный и северный мосты и шину памяти в ОП. Описанная операция выполняется в течение времени ∆T, которая определяется по формуле

∆T = l / Bmin,

где l – длина записи в байтах,

Вmin – минимальное быстродействие устройств, участвующих в ПДП. Запись информации в ВЗУ осуществляется аналогично.

По окончании прямого доступа контроллер накопителя генерирует сигнал прерывания, который сообщает процессору о завершении

47

процедуры. После этого моделируемая программа реализует следующий этап процессорной обработки. Он длится промежуток времени

Tп = Θ / Вцп,

где Θ – количество команд между двумя операциями прерывания процессора,

Вцп – его быстродействие.

Модель позволяет задать следующие параметры изучаемых устройств:

1.Быстродействие процессора (операций в секунду).

2.Емкость ОП.

3.Емкость ВЗУ.

4.Пропускная способность системной шины, МБ/с.

5.Пропускная способность северного моста, МБ/с.

6.Пропускная способность южного моста, МБ/с.

7.Пропускная способность шины оперативной памяти ОП, МБ/с.

8.Пропускная способность шины ВЗУ, МБ/с.

Без установки этих параметров моделирование не выполняется. Они не могут принимать отрицательные и нулевые значения.

После задания параметров устройств необходимо активировать одну задачу. Делается это установкой флажка рядом с номером задачи. Для задачи необходимо ввести следующие параметры:

1)количество процессорных команд;

2)номер ВЗУ, в котором находится файл;

3)количество обращений к файлу;

4)длину файла;

5)длину записи в файле.

Параметры остальных (неактивированных) задач устанавливать не нужно.

Если нажать кнопку «По умолчанию», будут загружены соответствующие параметры (при их наличии). Имеется возможность загрузить ранее сохраненные настройки, нажав кнопку «Загрузить настройки».

48

После задания всех параметров можно переходить к моделированию. Для этого необходимо нажать на кнопку «Пуск». Приложение перейдет в режим моделирования. В этом режиме на экран будет выводиться информация о выполняемых операциях, а также будут строиться временные диаграммы загрузки устройств. Работа каждого устройства компьютера представляется его закраской цветом соответствующей операции. Моделирование заканчивается, если выполнены все этапы процессорной обработки и обращения к файлу. Его результаты представляются в правой части экрана в виде числовых значений времени занятости и загрузки основных устройств, а также временных диаграмм. На диаграмме черным цветом отображается занятость устройства, а белым – его ожидание (простой).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Подготовка к работе

1.Знакомство со всеми разделами руководства.

2.Получение у преподавателя варианта для исследования подсистемы прямого доступа в память с различными параметрами одной задачи.

3.Исследование подсистемы с заданными параметрами задачи на имитационной модели.

4.Оформление отчета.

Последовательность выполнения лабораторной работы

В лабораторной работе необходимо исследовать работу подсистемы прямого доступа в память в однопрограммном режиме при следующих исходных данных (табл. 4.1).

Преподаватель выдает номер варианта исходных данных. Условные обозначения входных переменных:

1.К – количество процессорных команд.

2.РЦП – быстродействие процессора, млрд оп/с.

3.ЕОП – емкость оперативной памяти ОП, Гбайт.

49