Організація функціонування ЕОМ з магістральної архітектурою
ЕОМ являє собою сукупність пристроїв, виконаних на великих інтегральних схемах, кожна з яких має своє функціональне призначення. Комплект інтегральних схем, з яких складається ЕОМ, називається мікропроцесорним комплектом. До складу мікропроцесорних комплектів входять: системний таймер, мікропроцесор (МП), співпроцесори, контролер переривань, контролер прямого доступу до пам'яті, контролери пристроїв введення-виведення та ін.
Всі пристрої ЕОМ поділяються на центральні і периферійні. Центральні пристрої повністю електронні, периферійні пристрої можуть бути або електронними, або електромеханічними з електронним управлінням.
До складу центральних пристроїв ЕОМ входять: центральний процесор, основна пам'ять і ряд додаткових вузлів, що виконують службові функції: контролер переривань, таймер і контролер прямого доступу до пам'яті (ПДП).
Периферійні пристрої діляться на два види: зовнішні ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) і пристрої введення-виведення (УВВ): клавіатура, дисплей, принтер, миша, адаптер каналів зв'язку (КС) і ін.
У більш складних випадках, отримавши сигнал, що пристрій відгукнулося, перш ніж передавати команду, ЦП запитує пристрій про його стан. Поточний стан пристрою закодовано в байті стану, який відгукнувшись пристрій передає процесору через ШД системної магістралі. Якщо пристрій увімкнено і готове до роботи, то байт стану -нулевой. Наявність в ньому одиниць свідчить про нештатну ситуацію, яку ЦП намагається проаналізувати і в необхідних випадках сповіщає оператора про ситуації, що склалася.
Взаємодія МП із зовнішніми пристроями передбачає виконання логічної послідовності дій, пов'язаних з пошуком пристрою, визначенням його технічного стану, обміном командами та інформацією. Ця логічна послідовність дій разом з пристроями, що реалізовують її, отримала назву інтерфейс введення-виведення.
Для різних пристроїв можуть використовуватися різні логічні послідовності дій, тому інтерфейсів вводу-виводу може в одній і тій же ЕОМ використовуватися кілька. Якщо їх вдається звести до одного, універсального, то такий інтерфейс називається стандартним. У IBM PC є два стандартних інтерфейсу для зв'язку ЦП із зовнішніми устройства- 'ми: паралельний (типу Centronics) і послідовний (типу RS-232).
Інтерфейси постійно вдосконалюються, тому з появою нових ЕОМ, нових зовнішніх пристроїв і навіть нового програмного забезпечення з'являються і нові інтерфейси. Так, в програмному забезпеченні, розробленому провідними фірмами, все ширше використовується новий інтерфейс Plug and Play (Включи - і грай), який призначений для полегшення системної настройки ЕОМ при підключенні нових пристроїв, до машини. Цей інтерфейс дозволяє підключити за допомогою кабелю новий пристрій, а після включення ЕОМ її програмне забезпечення автоматично визначає склад підключених пристроїв, їх типи в налаштовує машину на роботу з ними без втручання системного оператора.
Якщо при зверненні ЦП до зовнішнього пристрою продовження виконання основної програми центральним процесором можливо тільки після завершення операції введення-виведення, то ЦП, запустивши зовнішній пристрій, переходить в стан очікування і знаходиться в ньому до тих пір, поки зовнішній пристрій не повідомив йому про закінчення обміну даними. Це призводить до простою більшості пристроїв ЕОМ, так як в кожен момент часу може працювати тільки одна з них. Такий режим роботи отримав назву однопрограмні - в кожен момент часу всі пристрої знаходяться в стані очікування, і тільки один пристрій виконує основну (і єдину) програму.
Для ліквідації таких простоїв і підвищення ефективності роботи обладнання зовнішні пристрої зроблені автономними. Отримавши від ЦП необхідну інформацію, вони самостійно організовують свою роботу з обміну даними. Процесор ж, запустивши зовнішній пристрій, намагається продовжити виконання програми. При необхідності (якщо зустрінуться відповідні команди) він може запустити в роботу кілька інших пристроїв (так як зовнішні пристрої працюють значно повільніше процесора). Якщо ж йому доводиться переходити в режим очікування, то, користуючись тим, що в ОП може одночасно перебувати не одна, а кілька програм, ЦП переходить до виконання чергової програми. При цьому створюється ситуація, коли в один і той же момент часу різні пристрої ЕОМ виконують або різні програми, або різні частини однієї і тієї ж програми, такий режим роботи ЕОМ називається багатопрограмних.
Організація роботи ЕОМ при виконанні завдання користувача
Організація процесів введення, перетворення і відображення результатів відноситься до сфери системного програмного забезпечення. Це складні цр9цесс.и "^ які найчастіше робляться" прозорими ", тобто непомітними для користувача. Один з них - реалізація завдання користувача: професійний користувач (програміст) пише завдання для ЕОМ у вигляді програми на алгоритмічній мові. Написане завдання (програма) представляє собою вихідний модуль, супроводжуваний керуючими пропозиціями, що вказують операційній системі ЕОМ, на якій мові написана програма і що з нею треба робити. Якщо програма пишеться на алгоритмічній мові, то керуючі пропозиції - на мові управління операційною системою (в ЄС ЕОМ і IBM 360/370 цю мову називається -Job Control Langiage, в MS DOS IBM PC - це мова команд DOS, іноді оформляється у вигляді bat - файлу).
Вихідний модуль перед виконанням повинен бути переведений на внутрішній мову машини. Ця операція виконується спеціальною програмою -транслятором (рис.4.1). Транслятори виконуються у вигляді двох різновидів: інтерпретатори і компілятори. Інтерпретатор після перекладу на мову машини кожного оператора алгоритмічного мови негайно виконує отриману машинну програму. Компілятор ж спочатку повністю перекладає всю програму, представлену йому у вигляді вихідного модуля (ІМ), на мову машини. Отримана при цьому машинна програма являє собою об'єктний модуль (ОМ). Результат роботи компілятора може бути записаний в бібліотеку об'єктних модулів (БОМ) або переданий іншим програмам для подальшої обробки, оскільки отримана машинна програма не готова до виконання з двох причин. По-перше, вона стримає недозволені зовнішні посилання (тобто звернення до програм, які не містяться в вихідному модулі, але необхідні для роботи основної програми, наприклад, до стандартних програм алгоритмічного
Мал. 4.1. Обробка завдань операційною системою
Подання машинної програми у вигляді вихідних, об'єктних і завантажувальних модулів дозволяє реалізувати найбільш ефективні програмні комплекси. Наприклад, якщо по одній і тій же програмі необхідно багато разів проводити розрахунки, то неефективно витрачати кожен раз час на трансляцію і редагування програми - її потрібно оформити у вигляді завантажувального модуля і зберігати у відповідній бібліотеці. При зверненні до такої програми відразу буде викликатися програма вибірки для завантаження відповідного модуля (а етапи компіляції та редагування зв'язків будуть опускатися) - час на виконання програми істотно скоротиться.
Алгоритми розподілу, використання, звільнення ресурсів і надання до них доступапредназначени для найбільш ефективної організації роботи всього комплексу пристроїв ЕОМ. Розглянемо їх на прикладі управління основною пам'яттю.
Виділення ресурсів може бути здійснено самим програмістом (особливо якщо він працює на мові, близькій машинному), але може проводитися і операційною системою.
Якщо виділення ресурсів проводиться перед виконанням програми, такий процес називається статичним переміщенням, в результаті якого програма "прив'язується" до певного місця в пам'яті обчислювальної машини. Якщо ж ресурси виділяються в процесі виконання програми, це називається динамічним переміщенням, в цьому випадку програма не прив'язана до певного місця в реальній пам'яті. Динамічний режим можна реалізувати тільки за допомогою операційної системи.
В цьому випадку програміст (або операційна система) змушений вирішувати проблему, як організувати виконання програми. Методів вирішення проблеми існує декілька: можна створити оверлейную структуру (тобто розбити програму на частини, що викликаються в ОП в міру необхідності), зробити модулі програми реєнтерабельним (тобто допускають одночасну роботу модуля за кількома зверненнями з різних частин програми або з різних програм) і т.д.
Мал. 4.4. Фрагментація реальної пам'яті
При роботі в мультипрограммном режимі може скластися ситуація, коли між програмами утворюються незайняті ділянки пам'яті. на рис.4.4
Рис.4.5. Розміщення програми в вільної частини ОП
загальний обсяг вільної пам'яті, що становить 50 Кбайт, достатній, щоб завантажити і програму D, що знаходиться в очікуванні. Але її не вдається завантажити так як вільні ділянки пам'яті не є суміжними. Такий стан називається фрагментацією реальної пам'яті. Воно характерно для систем зі статичним переміщенням.
У системах з динамічним переміщенням програм переміщає завантажувач розміщує програму в вільної частини пам'яті (рис.4.5) і допускає використання несуміжних її ділянок.
В цьому випадку є більше можливостей для організації мультипрограммной роботи, а отже, і для більш ефективного використання часових ресурсів ЕОМ.
При великих розмірах реалізованих програм виникають деякі суперечності при організації мультипрограмному режиму роботи, труднощі динамічного розподілу ресурсів.
Мал. 4.6. Фрагментація ОП. Завантаження сегментированной програми
Кожен сегмент програми повинен мати своє ім'я. Форма імені сегмента може бути будь-який, наприклад номер (рис.4.7 а, б).
Рис.4.7. Форма імені сегмента: а - при виділенні 8 розрядів; б - при виділенні 16 розрядів
Таблицю сегментів містить кожна виконувана програма.
• РНТС вказує на початок таблиці сегментів програми D - 68000;
Використанням сегментації програм досягається зменшення фрагментації основний пам'яті, але повністю фрагментація не зникає -залишається фрагменти, довжина яких менше довжини сегмента програми.
Якщо сегменти розділити на одну або кілька одиниць, званих сторінками, які мають фіксований розмір, то оскільки розмір сторінки досить малий у порівнянні зі звичайним розміром сегментів, невикористовувані фрагменти ОП значно скорочуються в обсязі - матиме місце так звана фрагментація всередині сторінок. Отже, втрати все-таки залишаться, але вони будуть значно менше.
Формування сегментно-сторінкової структури виконується автоматично за допомогою операційної системи.
ДTА буде виконуватися наступним чином: