Исключение простоев в работе ЦП

Однопрограммный режим работы. Это когда программы в ЦП выполняются последовательно и переход к следующей осуществляется только после завершения предыдущей (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Однопрограммный режим работы

Режим работы при опережающем вводе. При опережающем вводе вся информация, подлежащая вводу, разбивается на несколько порций. Вначале производится ввод первой порции, содержащей программу и данные, необходимые для начала операции обработки. Вторую порцию информации СВВ вводит при параллельно работающем ЦП. Если ввод второй информации завершается до окончания обработки первой порции, то ЦП простаивать не будет. Для такой организации вычислительного процесса необходимо, чтобы программа предвосхитила потребность в данных и начала их ввода заранее. При однопрограммном режиме работы вывод данных может быть организован параллельно с обработкой, начиная с момента их получения (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Режим работы с опережающим вводом

Мультипрограммный режим. Предполагает наличие в ОП нескольких независимых программ, принятых на обслуживание. Программы (или участки одной программы) можно считать независимыми, если каждая из них может быть выполнена без использования результатов обработки других программ. При мультипрограммном режиме обслуживания, т.е. обработка, ввод или вывод любой программы, может быть начато независимо от того, завершилась ли обработка других программ. Среди программ, принятых к обслуживанию и находящихся в ОП, могут быть программы готовые к обработке; некоторые программы могут требовать ввода данных, другие программы завершили обработку и ожидают операции вывода. Все программы (или их запросы) находятся в очередях к соответствующим устройствам: устройствам ввода (УВв), устройствам вывода (УВыв), ВЗУ, ЦП, переходя по мере выполнения соответствующих операций из одной очереди в другую. Пример ускорения за счет параллельного выполнения операций обработки ввода-вывода приведен на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Мультипрограммный режим работы

Канал ввода-вывода

Канал ввода-вывода (КВВ) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации, управления обменом и непосредственной передачи данных между ОП и ПУ. Таким образом, КВВ является функциональным элементом СВВ. Он образует маршрут передачи данных между ОП и ПУ и осуществляет управление обменом, начиная от установления связи и кончая завершением передачи и разрушением установленной связи. Физическая реализация КВВ выполняется специальными аппаратными средствами (средствами интерфейса) в соответствии с правилами обмена сигналами.

Основные функции КВВ.

В первую группу входят функции по установлению логической связи между ПУ и УП, т.е. по образованию "канала" для передачи данных. При наличие автономных средств управления ПУ могут работать параллельно в течении такта подготовки информации, но передача информации через систему связи в каждый момент времени производится между ОП и только одним ПУ. Для исключения возможности одновременной передачи информации от нескольких ПУ в системе должен быть организован "канал". Для этого необходимо:

- среди запросов на обмен выявить наиболее приоритетный и определить для него маршрут передачи данных между ОП и ПУ;

- проверить работоспособность и готовность к выполнению заданного обмена каждым из компонентов СВВ вдоль выбранного маршрута;

- в случае, если какой-либо компонент не может принять участия в обмене (включен или занят другой операцией), то следует выполнить эти же проверки для альтернативного маршрута, а при его отсутствии - сообщить ЦП о невозможности установления "канала";

- передать всем участвующим в операции компонентам СВВ управляющую информацию.

Вторая группа функций КВВ связана с непосредственной передачей данных между ПУ и ОП и включает в себя:

- определение текущего адреса ячейки памяти для записи или чтения определенного блока информации, передаваемого по сформированному "каналу";

- преобразование форматов данных, используемых в ПУ и ОП;

- контроль передаваемых по "каналам" данных;

- определение особых условий в процессе выполнения операций (завершение передачи определенного блока информации и потребность в дополнительной управляющей информации для каких-либо компонентов СВВ, возникновения ошибки т.п.).

Третья группа функций связана с завершением обмена и разрушением "канала". Она включает в себя:

- определение момента завершения обмена по сигналу от ЦП или ПУ;

- определение причины завершения обмена, т.е. завершена ли передача всех данных или в процессе обмена обнаружена ошибка;

- информирование ЦП об изменении состояния компонентов СВВ;

- передача управляющей информации компонентам СВВ, посредством которой они переводятся в исходное состояние.

Перечисленные функции КВВ реализуются различными сочетаниями программных и аппаратных средств. Если все функции управления обменом осуществляются средствами управления интерфейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называют программным. С помощью программного КВВ обеспечивается не совмещенный режим ввода-вывода, при котором управление ПУ и операциями обработки осуществляется последовательно, и совмещенный режим, при котором ПУ имеет автономные схемы управления подготовкой блоков информации, а синхронизация и переключение ЦП на программу управления передачи блока информации от ПУ выполняется средствами прерываний. Программное управление обменом, или программный КВВ реализуется средствами управления интерфейсом и аппаратурой ЦП, которая используется для управления обменом в течение всей операции ввода-вывода непрерывно (не совмещенный режим) или в некоторые интервалы времени, определяемые ПУ (совмещенный режим) [1].

Характеристики КВВ. Выделяют две характеристики:

- нагрузочную способность Nмах, т.е. наибольшее число ПУ, которые может обслуживать КВВ, не вызывая потери информации и снижения скорости их работы;

- номинальную пропускную способность Vквв, т.е. число байт данных, которые могут быть переданы посредством КВВ между ПУ и ОП за единицу времени при условии, что никакие другие устройства ВС не мешают выполнению функции КВВ.

Одним из важных параметров, характеризующих способность КВВ работать параллельно с ЦП, является коэффициент работоспособности программы, который показывает долю времени, затрачиваемого ЦП на программу обработки при параллельном выполнении операций в СВВ. Коэффициент работоспособности зависит от способа организации СВВ, числа параллельно работающих ПУ и быстродействия каждого из них.

Прямой доступ к памяти.

Для реализации прямого доступа к памяти в КВВ должны быть предусмотрены выделенные аппаратные средства, на которые возлагаются буферизация и преобразование форматов данных; определение текущего адреса для каждого передаваемого в память или из нее слова, определение момента завершения обмена. Остальные функции КВВ по установлению связи и образованию "канала" между ПУ и ОП в начале операции, окончанию операции и проверки состояния компонентов СВВ выполняются либо программным путем с привлечением аппаратуры ЦП или дополнительными средствами КВВ.

Если управление образованием и "настройкой канала" производится программно, повышение степени совмещения операций обработки и ввода-вывода достигается за счет того, что программная настройка производится только в начале и конце операции передаечи данных.

Если функции КВВ выполняются специально выделенной аппаратурой, работающей под управлением собственной программы, то реализованный таким способом КВВ называют процессором ввода-вывода (ПВВ). ПВВ является подчиненным специализированным процессором, работа которого инициируется посредством ЦП.

При прямом доступе к памяти ЦП и ПВВ могут иметь собственные регистры адресов РгА и данных РгД, как показано на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Прямой доступ к памяти с непосредственным обращением

Такую реализацию прямого доступа называют с непосредственным обращением к ОП. Приостановки при этом возникают только при одновременном обращении в ОП со стороны ЦП и ПВВ и их длительность не превышает цикла ОП (Тц).

Возможна реализация прямого доступа с косвенным обращением к ОП, рисунок 3.10. В этом случае приостановки ЦП возникают при любой передаче информации между ОП и ПВВ независимо от того, выполняется ли в ЦП команда с обращением или без обращения к памяти. После завершения команды в ЦП его регистры РгА и РгД свободны, производят захват их со стороны ПВВ, что приводит к приостановке выполнения программы в ЦП, так как в нем временно отсутствуют два регистра. ПВВ освободит эти регистры после завершения цикла передачи блока информации в ОП.

Рисунок 3.10 - Прямой доступ с косвенным обращением