19.4. Контрольные вопросы

1. Принципы организации систем прерывания программ.

2. Состояние программы и вектор прерывания.

3. Основные характеристики систем прерывания.

4. Определение числа уровней прерывания.

5. Радиальная структура системы прерывания.

6. Цепочечьная структура системы прерывания.

7. Типы приоритетов прерываний.

8. Процедура поллинга.

9. Схема устройства однотактного опроса регистра запросов прерывания. Дейзи-цепочки.

10. Реализация программно-управляемых приоритетов.

11. Схема реализации управления приоритетами с помощью маски прерывания.

Лекция 20. Принципы организации систем прямого доступа в память

Программно-управляемый ВВ между ОП и ПУ во многих случаях является далеко не самым оптимальным, а иногда вообще невозможным. Причин тому несколько. Рассмотрим очень коротко основные из них.

• При программно-управляемом ВВ процессор "отвлекается" от выполнения основной программы решения задачи. Операции ВВ достаточно просты, чтобы эффективно загружать логически сложную быстродействующую аппаратуру процессора. В результате при использовании программно-управляемого ВВ снижается производительность ЭВМ в целом.

• При пересылке любой единицы данных (байт, слово) процессор выполняет достаточно много команд, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчет количества переданных единиц данных, формирование адресов памяти и регистров ПУ. В результате скорость передачи данных при программно-управляемом ВВ (т.е. через процессор) может оказаться недостаточной для работы с высокоскоростными ПУ, например с накопителями на жестких дисках, видеосистемами, быстродействующими аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями различного назначения, и т.д.

• Большинство современных сложных ПУ, таких как видеосистемы, сетевые карты, жесткие диски и т.д., осуществляют обмен с ОП целыми блоками информации. В этом случае перечисленные выше непроизводительные временные затраты процессора становятся особенно существенными.

• Обмен в режиме прерывания, несмотря на все свои достоинства, требует еще помимо перечисленных выше непроизводительных временных затрат время на сохранение вектора состояния текущей программы в стеке и его последующего восстановления. Кроме того, прерывание в большинстве случаев возможно только после завершения текущей команды.

Несмотря на широкое использование программно-управляемого ВВ, для ускорения операций обмена данными между ОП и ПУ и разгрузки процессора от управления этими операциями в современных ЭВМ используется специальный режим обмена, получивший название режим прямого доступа к памяти или просто прямой доступ к памяти (ПДП). В англоязычной литературе – Direct Memory Access (DMA). Ниже, в зависимости от контекста излагаемого материала, будут употребляться обе аббревиатуры – ПДП и DMA.

Прямым доступом к памяти называется режим, при котором обмен данными между ОП и регистрами ПУ осуществляется без участия центрального процессора за счет специальных, внешних по отношению к нему, электронных схем.

Введение режима ПДП (реализация каналов ПДП) всегда усложняет аппаратную часть ЭВМ, однако позволяет повысить скорость выполнения операций обмена ОП-ПУ, разгружает центральный процессор от обслуживания операций ВВ, повышает общую производительность ЭВМ. При наличии кэш-памяти достаточного объема режим ПДП в ряде случаев позволяет реализовать параллельное выполнение операций обмена и обработку команд текущей программы процессором, что также повышает общую производительность ЭВМ. Более того, наличие механизма прямого доступа к памяти позволяет поддерживать многопроцессорность вычислительной системы. На последнем моменте необходимо остановиться более подробно.

Дело в том, что термин ПДП (как и DMA), используемый при изложении материала настоящего раздела, в общем случае не совсем точно отражает суть процессов, происходящих в ЭВМ. Точнее, прямой доступ к памяти (к ОП) является только частным случаем организации процедур доступа к системной магистрали со стороны множества устройств, в том числе и процессоров. Под доступом к системной магистрали понимается возможность какого-либо устройства, имеющего соответствующее аппаратно-программное обеспечение (ведущее устройство, интеллектуальное устройство магистрали), занимать на какое-то время системную магистраль и полностью управлять ею, вырабатывая все необходимые управляющие сигналы. При этом могут осуществляться связи не только ОП-ПУ, но и ПУ-ПУ. Между тем смысл понятия "память" можно расширить и понимать под памятью не только ОП, но и адресуемые регистры ПУ. В этом случае использование термина ПДП (как и DMA) будет вполне корректно.

Следует иметь в виду, что термин "периферийное устройство (ПУ)" здесь используется достаточно условно. В англоязычной литературе ведущее устройство магистрали, инициирующее обмен, принято называть master. Устройство, к которому обращается master, является подчиненным, и его принято называть slave. Таким образом, более правильно говорить о реализации связей master-slave (M-S), а не ПУ-ПУ или ОП-ПУ. Мастером может быть только интеллектуальное устройство, имеющее средства управления магистралью (СУМ), которые, как минимум, должны "уметь" формировать и модифицировать адреса обращения, вести контроль за размером переданного блока информации и генерировать управляющие сигналы магистрали. Между тем в зависимости от текущего состояния вычислительного процесса одно и то же интеллектуальное устройство магистрали может выступать и как master, и как slave. Устройства магистрали, не имеющие СУМ, всегда являются подчиненными, т.е. slave.

Естественно, что предоставление магистрали в распоряжение того или иного устройства (захват магистрали) может происходить только на приоритетной основе. Эта процедура получила название арбитраж магистрали, а устройство, ее реализующее, – арбитр магистрали. В ряде случаев арбитр может строиться как отдельное устройство, размещенное на системной магистрали. В других случаях арбитраж магистрали выполняет сам процессор. Наличие процедуры арбитража позволяет размещать на системной магистрали несколько интеллектуальных устройств, в том числе и процессоров. В соответствии с принятой дисциплиной обслуживания (арбитража) каждое из них будет получать в свое распоряжение системную магистраль и устанавливать связи как с ОП, так и с регистрами других устройств магистрали. Следует отметить при этом, что в процедуре арбитража всегда предусматриваются средства, предотвращающие монопольный захват магистрали одним устройством. Часть этих средств может быть сосредоточена в арбитре, другая часть может быть распределена между устройствами магистрали, использующими режим ПДП.