- •В. Г. Баула Введение в архитектуру эвм и системы программирования
- •Предисловие
- •1. Понятие об архитектуре эвм
- •2. Машина Фон Неймана
- •2.1. Память
- •2.2. Устройство Управления
- •2.3. Арифметико–Логическое Устройство
- •2.4. Взаимодействие уу и алу
- •3. Учебная машина
- •3.1. Схема выполнения команд
- •3.2. Примеры программ для учебной машины.
- •3.2.1. Пример 1. Оператор присваивания.
- •3.2.2. Пример 2. Условный оператор.
- •3.2.3. Пример 3. Реализация цикла.
- •3.2.4. Пример 4. Работа с массивами.
- •3.3. Формальное описание учебной машины
- •4. Введение в архитектуру эвм
- •4.1. Адресность эвм
- •4.2. Сравнительный анализ эвм различной адресности
- •4.3. Дробно-адресная архитектура
- •4.4. Способы адресации
- •4.5. Многообразие форматов данных
- •4.6. Форматы команд
- •4.7. Базирование адресов
- •5. Понятие семейства эвм
- •6. Архитектура младшей модели семейства Intel
- •6.1. Память
- •6.2. Форматы данных
- •6.3. Вещественные числа
- •6.4. Целые числа
- •6.5. Сегментация памяти
- •6.6. Мнемонические обозначения регистров
- •6.7. Структура команд
- •6.8. Команды языка машины
- •6.8.1. Команды пересылки
- •6.8.2. Арифметические команды
- •7. Язык Ассемблера
- •7.1. Понятие о языке Ассемблера
- •7.2. Применение языка Ассемблера
- •7.3. Классификация предложений языка Ассемблер
- •7.4. Пример полной программы на Ассемблере
- •7.5. Переходы
- •7.6. Команды переходов
- •7.6.1. Команды безусловного перехода
- •7.6.2. Команды условного перехода
- •7.6.3. Команды цикла
- •7.7. Работа со стеком
- •7.8. Команды вызова процедуры и возврата из процедуры
- •7.9. Программирование процедур на Ассемблере
- •7.9.1. Стандартные соглашения о связях
- •8. Система прерываний.
- •9. Дополнительные возможности Ассемблера.
- •9.1. Строковые команды.
- •9.2. Логические команды.
- •9.3. Команды сдвига.
- •10. Модульное программирование
- •10.1. Модульное программирование на Ассемблере.
- •10.2. Схема работы редактора внешних связей.
- •10.3. Схема работы статического загрузчика.
- •10.4. Схема работы динамического загрузчика.
- •11. Понятие о системе программирования.
- •11.1. Компоненты системы программирования.
- •11.2. Характеристики исполняемых модулей.
- •11.2.1. Перемещаемые модули.
- •11.2.2. Повторно-выполняемые модули.
- •11.2.3. Повторно-входимые (реентерабельные) модули.
- •12. Макросредства языка Ассемблер.
- •12.1. Сравнение процедур и макроопределений.
- •13. Схема работы транслятора с языка Ассемблера.
- •14. Понятие о мультипрограммном режиме работы.
- •14.1. Требования к аппаратуре для обеспечения возможности работы в мультипрограммном режиме.
- •14.1.1. Система прерываний.
- •14.1.2. Механизм защиты памяти.
- •14.1.3. Аппарат привилегированных команд.
- •14.1.4. Таймер.
- •15. Архитектурные особенности современных эвм.
- •15.1. Конвейерные эвм.
- •15.2. Эвм различной архитектуры.
- •15.2.1. Архитектура эвм с общей шиной.
- •15.2.2. Достоинства и недостатки архитектуры с общей шиной.
- •15.2.3. Архитектура эвм с каналами ввода/вывода.
- •15.3. Уровни параллелизма.
- •Список литературы.
14.1. Требования к аппаратуре для обеспечения возможности работы в мультипрограммном режиме.
Итак, сформулируем необходимые требования к аппаратуре ЭВМ для обеспечения возможности мультипрограммной работы.
14.1.1. Система прерываний.
Система прерываний необходима как для режима разделения времени, так и для обеспечения параллельной работы центрального процессора и периферийных устройств, так как обеспечивает саму возможность реакции на события и автоматического переключения с одной программы на другую.
14.1.2. Механизм защиты памяти.
Этот механизм обеспечивает безопасность одновременного нахождения в оперативной памяти нескольких независимых программ. Защита памяти гарантирует, что одна программа не сможет случайно или же предумышленно обратиться в память другой программы (по записи или даже по чтению данных). Очевидно, что без такого механизма мультипрограммный режим просто невозможен.1
Механизм защиты памяти на современных ЭВМ устроен весьма сложно и часто связан с механизмом так называемой виртуальной памяти, с которым Вы познакомитесь в следующем семестре. Сейчас мы рассмотрим одну из простейших реализаций механизма защиты памяти, так эта защита была сделана на некоторых первых ЭВМ 3-го поколения, способных работать в мультипрограммном режиме.
В центральный процессор добавляются два новых регистра защиты памяти, обозначим их Анач и Акон. На каждый из этих регистров можно загрузить любой адрес оперативной памяти. Предположим теперь, что после загрузки программы в оперативную память она занимает сплошной участок памяти с адресами от 20000010 до 50000010 включительно. Тогда загрузчик, перед передачей управления на первую команду программы (у нас это часто была команда с меткой Start), присваивал регистрам защиты памяти соответственно значения
Анач:=20000010 и Акон:=50000010
Далее, в центральный процессор добавлена способность, перед каждым обращением в оперативную память по физическому адресу Афиз автоматически проверять условие
Анач Афиз Акон
Если условие истинно, т.е. программа обращается в свою область памяти, выполняется требуемое обращение к памяти по записи или чтению данных. В противном случае доступ в оперативную память не производится и вырабатывается сигнал прерывания по событию "попытка нарушения защиты памяти".
Описанный механизм защиты памяти очень легко реализовать, однако он обладает существенным недостатком: каждая программа может занимать только один сплошной участок в оперативной памяти. В то же время, как мы знаем, архитектура нашего компьютера допускает, чтобы каждый сегмент программы мог быть размещён на любом свободном месте оперативной памяти. В современных ЭВМ реализован специальный механизм виртуальной памяти, который позволяет выделять для программы любые участки адресов памяти, независимо от того, заняты ли эти, как говорят, логические адреса другими программами или нет.
14.1.3. Аппарат привилегированных команд.
Сейчас мы рассмотрим ещё одно необходимое свойство аппаратуры, без которого невозможно реализовать мультипрограммный режим работы ЭВМ. Это свойство заключается в следующем: все команды, которые может выполнять центральный процессор, разбиваются на два класса. Команды из одного класса называются обычными командами или командами пользователя, а команды из другого класса – привилегированными или запрещёнными командами.
Далее, в центральном процессоре располагается специальный одноразрядный регистр режима работы, который может, естественно, принимать только два значения. Значение этого регистра и определяют тот режим, в котором в данный момент работает центральный процессор: обычный режим (или режим пользователя) или привилегированный режим.1 В привилегированном режиме центральному процессору разрешается выполнять все команды языка машины, а в режиме пользователя – только обычные (не привилегированные) команды. При попытке выполнить привилегированную команду в пользовательском режиме вырабатывается сигнал прерывания, а сама команда, естественно, не выполняется. Из этого правила выполнения команд легко понять и другое название для привилегированных команд – запрещённые команды, так как их выполнение запрещено в режиме пользователя. Объясним теперь, почему без аппарата привилегированных команд невозможно реализовать мультипрограммный режим работы ЭВМ.
Легко понять, что, например, команды, которые заносят на регистры защиты памяти Анач и Акон новые значения, должны быть привилегированными. Действительно, если бы это было не так, то любая программа могла бы занести на эти регистры адреса начала и конца оперативной памяти, после чего получила бы возможность записывать данные в любые области памяти.
Привилегированными должны быть и все команды, которые обращаются к внешним (периферийным) устройствам. Например, нельзя разрешать запись на диск в режиме пользователя, так как диск – это тоже общая память для всех программ, только внешняя, и одна программа может испортить на диске данные, принадлежащие другим программам. То же самое относится и к печатающему устройству: если разрешить всем программам бесконтрольно выводить свои данные на печать, то, конечно, разобраться в том, что же получится на бумаге, будет невозможно.
Итак, в мультипрограммном режиме программе пользователя запрещается выполнять команды, работающие с внешними устройствами (дисками, принтерами, линиями связи и т.д.). Как же быть, если программе необходимо, например, считать данные из своего файла на диске в оперативную память? Выход один – программа пользователя должна обратиться к служебной процедуре с просьбой, выполнить для неё ту работу, которую сама программа пользователя сделать не в состоянии. Служебная программа, естественно, должна работать в привилегированном режиме. Перед выполнением запроса служебная процедура проверяет, имеет ли программы пользователя право на запрашиваемое действие, например, что эта программа имеет необходимые полномочия на чтение из указанного файла.2
Переключение из привилегированного режима в режим пользователя обычно производится по специальной (не привилегированной) машинной команде. Значительно сложнее обстоит дело с такой опасной операцией, как переключение центрального процессора в привилегированный режим работы. Это переключение невозможно выполнить по какой-либо машинной команде (поймите, почему это так!). Обычно переключение в привилегированный режим производится автоматически при обработке центральным процессором сигнала прерывания, а иногда – при вызове специальных системных процедур, которые имеют полномочия для работы в привилегированном режиме.