Регистры отладки и тестирования. 6 страница

Рис. 4.15. Страничное распределение памяти

В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие:

· дольше всего не использовавшаяся страница;

· первая попавшаяся страница;

· страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.

В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке.

После того как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (из таблицы страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, т. е. соответствующая физическая страница объявляется свободной.

Рассмотрим механизм преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации памяти (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Механизм преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации памяти

Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары (p, s), где p – номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0), s – смещение в пределах виртуальной страницы. Учитывая, что размер страницы равен 2 в степени k, смещение s может быть получено простым отделением k младших разрядов в двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы p.

При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия:

1. На основании начального адреса таблицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице.

2. Из этой записи извлекается номер физической страницы.

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса).

Использование в пункте (3) того факта, что размер страницы равен степени 2, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а значит повышает производительность компьютера.

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую, на перемещение страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит уменьшает затраты памяти. С другой стороны, если страница велика, значит велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы. В среднем на каждой программе теряется половина объема страницы, что в сумме при большой странице может составить существенную величину. Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в «быстрых» запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных.

Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте, без выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Такой вариант страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что программа может загружаться в несмежные области, а также того, что при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.

Сегментное распределение

При страничной организации виртуальное адресное пространство процесса делится механически на равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство часто бывает очень полезным. Например, можно запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент программы, а для сегмента данных разрешить только чтение. Кроме того, разбиение программы на «осмысленные» части делает принципиально возможным разделение одного сегмента несколькими процессами. Например, если два процесса используют одну и ту же математическую подпрограмму, то в оперативную память может быть загружена только одна копия этой подпрограммы.

При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.

Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может быть представлен парой (g, s), где g – номер сегмента, а s – смещение в сегменте. Физический адрес получается путем сложения начального физического адреса сегмента, найденного в таблице сегментов по номеру g, и смещения s.

Недостатком данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное по сравнению со страничной организацией преобразование адреса.

Странично-сегментное распределение

Как видно из названия, данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памятии, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске. Для каждого сегмента создаётся своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении.

Виртуальный адрес при странично-сегментном распределении состоит из трёх частей (g, p, s), где g – номер сегмента, p – номер виртуальной страницы процесса, s – смещение в пределах виртуальной страницы. Трансляция виртуального адреса в физический с использованием таблиц сегментов и страниц начинается (см. рис. 4.17) с того, что на основании начального адреса таблицы сегментов (содержимое регистра адреса таблицы сегментов), номера сегмента (старшие разряды виртуального адреса) определяется базовый адрес соответствующей таблицы страниц для данного сегмента. А дальше происходит всё тоже самое, что при страничном распределении. По найденному базовому адресу таблицы страниц, номеру виртуальной страницы p из таблицы страниц извлекается старшая часть физического адреса страницы (n), к которой присоединяется смещение s (младшая часть).

Процесс преобразования адресов посредством таблиц является достаточно длительным и, естественно, приводит к снижению производительности системы. С целью ускорения этого процесса используется специальная полностью ассоциативная кэш-память (рис. 4.17), которая называетсябуфером преобразования адресов TLB (translation lookaside buffer).

Рис. 4.17. Механизм преобразования адресов для странично-сегментной
организации памяти с использованием TLB

Виртуальный адрес страницы VA_i, составленный из полей g и p, передаётся в TLB в качестве поискового признака (тега). Он сравнивается с тегами (VA) всех ячеек TLB, и при совпадении из найденной ячейки выбирается физический адрес страницы n, позволяющий сформировать полный физический адрес элемента данных, находящегося в ОП. Если совпадение не произошло, то трансляция адресов осуществляется обычными методами через таблицы сегментов и страниц. Эффективность преобразования адресов с использованием TLB зависит от коэффициента «попадания» в кэш-памяти, т. е. от того, насколько редко приходится обращаться к табличным методам трансляции адресов. Учитывая принцип локальности программ и данных, можно сказать, что при первом обращении к странице, расположенной в ОП, физический адрес определяется с помощью таблиц и загружается в соответствующую ячейку TLB. Последующие обращения к странице выполняются с использованием TLB.

4.4.5. Методы ускорения процессов обмена между ОП и ВЗУ

Эффективная скорость обмена между оперативным и внешним уровнями памяти в значительной степени определяется затратами на поиск секторов или блоков в накопителе ВЗУ. Для уменьшения влияния затрат времени поиска информации на скорость обмена используют традиционные методы буферизации и распараллеливания. Метод буферизации заключается в использовании так называемой дисковой кэш-памяти.Дисковый кэшуменьшает среднее время обращения к диску. Это достигается за счёт того, что копии данных, находящихся в дисковой памяти, заносятся в полупроводниковую память. Когда необходимые данные оказываются находящимися в кэше, время обращения значительно сокращается. За счет исключения задержек, связанных с позиционированием головок, время обращения может быть уменьшено в 2–10 раз.

Дисковый кэш может быть реализован программно или аппаратно.

Программный дисковый кэш – это буферная область в ОП, предназначенная для хранения считываемой с диска информации. При поступлении запроса на считывание информации с диска вначале производится поиск запрашиваемой информации в программном кэше.

При наличии в кэше требуемой информации, она передаётся в процессор. Если она отсутствует, то осуществляется поиск информации на диске. Считанный с диска информационный блок заносится в буферную область ОП (программный дисковый кэш). Программа, управляющая дисковой кэш-памятью, осуществляет также слежение и за работой диска. Весьма хорошую производительность показывают программы Smart Drv, Ncache и Super PC-Kwik. Иногда для программного кэша используется дополнительная или расширенная память компьютера.

Аппаратный дисковый кэш – это встроенный в контроллер диска кэш- буфер с ассоциативным принципом адресации информационных блоков. По запросу на считывание информации вначале производится поиск запрашиваемого блока в кэше. Если блок находится в кэше, то он передаётся в ОП. В противном случае информационный блок считывается с диска и заносится в кэш для дальнейшего использования. При поступлении запроса на запись информационный блок из ОП заносится вначале в дисковый кэш и лишь затем после выполнения соответствующих операций по поиску сектора – на диск, при этом обычно копия блока в дисковом кэше сохраняется. Запись информационного блока из ОП в кэш производится на место блока, копия которого сохранена на диске. Для управления процессами копирования вводятся специальные указатели, которые определяют, сохранена ли данная копия на диске, к какому информационному блоку обращение производилось ранее других и т. п. Копирование блока на диск производится по завершению операции поиска и не связано непосредственно с моментом поступления запроса.

Второй способ, позволяющий уменьшить снижение эффективной скорости обмена, вызванное операциями поиска на диске, связан с использованием нескольких накопителей на диске.Все информационные блоки распределяются по нескольким накопителям, причём так, чтобы суммарная интенсивность запросов по всем накопителям была одинаковой, а запросы по возможности чередовались. Если известны интенсивности запросов к каждому информационному блоку, то можно ранжировать эти блоки, а если при этом известны и логические связи между блоками, то связанные блоки с примерно одинаковыми интенсивностями запросов должны размещаться в разных накопителях. Это позволяет совместить операции обмена между ОП и одним из накопителей с операциями поиска очередного блока в других накопителях.

5. организациЯ системНОГО ИНТЕРФЕЙСА И ВВода-вывода ИНФОРМАЦИИ

5.1. Общая характеристика и классификация интерфейсов

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интерфейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенных для осуществления обмена информацией между устройствами.

Производительность и эффективность использования компьютера определяется не только возможностями ее процессора и пропускной способностью основной памяти, но в очень большой степени характеристиками интерфейсов, составом периферийных устройств (ПУ), их техническими данными.

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным сопряжением между всеми уровнями – стандартными интерфейсами. Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

· пропускной способностью интерфейса – количеством информации, которое может быть передано через интерфейс в единицу времени;

· максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

· информационной шириной интерфейса – числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;

· максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

·

· общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

· способ соединения компонентов системы (радиальный, магистральный, смешанный);

· способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);

· принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

·

Радиальный интерфейс (рис. 5.1) даёт возможность всем модулям (М₁, …, М_n) работать независимо с центральным модулем (ЦМ). Он позволяет получить высокие скорости передачи информации, но требует большого количества шин. Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена.

Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по многопроводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приёма её в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу «запрос-ответ». Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приёмным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приёмником своей готовности к приёму данных.

Рис. 5.1. Радиальный (a) и магистральный (б) интерфейсы

Классификация интерфейсов по назначению содержит следующие уровни сопряжений:

· системные интерфейсы;

· локальные интерфейсы;

· интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);

· межмашинные интерфейсы.

Cистемные интерфейсы предназначены для организации связей между центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ, а также между процессорами в многопроцессорных системах.

Локальные интерфейсы предназначены для организации связи с отдельными устройствами компьютера (видеокартой), а также для соединения микросхем чипсета между собой.

Назначение интерфейсов периферийных устройств (малых интерфейсов) состоит в выполнении функций сопряжения контроллера (адаптера) с конкретным механизмом ПУ.

Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных системах и сетях.

Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к многоуровневой организации шин интерфейсов на основе использования специализированных микросхем(чипсетов).

Слово «чипсет» (chipset) в буквальном переводе означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, – это одна или две микросхемы, предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, интерфейсом графического адаптера, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера. Со временем эти микросхемы стали называть мостами, появились устоявшиеся термины «северный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge) чипсета. Если чипсет состоит из одной микросхемы, то такое решение называют одночиповым, а если из двух – двухмостовой схемой. В классической (традиционной) архитектуре двухмостового чипсета северный мост содержит контроллер памяти, контроллер графической шины (PCI Express), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором через сокет определенного типа. Под сокетомпонимается электрический соединитель, с помощью которого CPU компьютера соединяется с системной платой. Использование сокета позволяет при необходимости без особых проблем поменять процессор на более мощный из того же семейства. Сегодня для интеловских процессоров используются сокеты (разъемы) в формате PGA (pin grid array) для мобильных компьютеров и LCA (land grid array) – для настольных. В первом случае штыревые выводы, располагающиеся на нижней стороне корпуса процессора, устанавливаются в отверстия сокета. Во втором случае, аналогично расположенные выводы процессора имеют вид плоских контактных площадок. При установке процессора в компьютер площадки СРU прижимаются к подпружиненным выводам сокета. Использование новой микроархитектуры процессоров, выпуск нового семейства CPU, повышение разрядности внешних шин и использование новых интерфейсов зачастую требуют смены сокета, а это в свою очередь влечёт за собой и замену чипсета.

На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Он содержит контроллеры жёстких дисков (SATA и/или PATA), сетевой контроллер, USB-контроллер, контроллер шин PCI и PCI Express, контроллер прерывания, DMA-контроллер, звуковой (аудио) контроллер. Кроме того, южный мост соединяется еще с одной важной микросхемой на материнской плате – микросхемой ROM-памяти BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). Это постоянная память, в которой хранится программа, отвечающая за базовые функции интерфейса и настройки оборудования, на котором она установлена. Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров и т. д. Обозначение подобного базового программного обеспечения (ПО) термином «BIOS» присуще для компьютеров на базе процессоров с архитектурой х86. Для компьютеров на базе процессоров других типов для обозначения ПО, выполняющего подобные функции, используются другие термины, например, базовое ПО машин с процессором архитектуры SPARC называется PROM. Раньше к южному мосту подключалась еще одна микросхема Super I/O, которая отвечала за низкоскоростные порты RS232, LPT, RS/2. Сейчас эти функции выполняет южный мост. Для соединения северного и южного мостов друг с другом в большинстве случаев используются специальные локальные шины, причём разные производители применяют для этого разные шины с различной пропускной способностью (Intel – DMI, AMD – Alink Express, VIA – V-Link).

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90 % определяются именно чипсетом. От него зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, тип сокета, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств. Основными компаниями на рынке чипсетов являются Intel, NVIDIA и AMD.

Шины процессора и памяти сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и сбалансированные между собой для обеспечения максимальной пропускной способности канала процессор–память. Шины ввода-вывода могут иметь большую протяжённость, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Обычно количество и типы устройств ввода-вывода в вычислительных системах не фиксируются (определяется количество разъёмов той или иной шины ввода-вывода), что даёт возможность пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода-вывода компьютера рассматривается как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода-вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода-вывода работать независимо.

5.2. Способы организации передачи данных

В подсистеме ввода-вывода ЭВМ используются три основных способа организации передачи данных между памятью и ПУ: программно-управляемая передача, передача по запросу прерывания от ПУ и прямой доступ к памяти (ПДП).

Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора, который при этом выполняет специальную подпрограмму ввода-вывода. Операция ввода-вывода инициируется центральным процессором, т. е. текущей командой программы. Данный способ является простым в реализации, но при обработке команды ввода-вывода ЦП бесполезно тратит время, ожидая готовности ПУ. Это значительно снижает производительность ЭВМ.

Второй способ передачи данных по запросу прерывания от ПУ реализуется под управлением контроллера прерываний (КПР) и позволяет организовывать более гибкое взаимодействие между ЦП и ПУ. Предположим, что в качестве ПУ используется клавиатура, предназначенная для ввода в ЭВМ команд, инструкций и данных. Каждый раз, когда пользователь (оператор) нажимает клавишу, ПУ выдает в КПР запрос на прерывание, который в свою очередь вырабатывает для ЦП сигнал прерывания. ЦП по этому сигналу приостанавливает работу текущей программы и передает управление подпрограмме ввода-вывода. Подпрограмма обрабатывает запрос и по её завершению ЦП возвращается к работе по текущей программе. Выполнение текущей программы продолжается до следующего нажатия клавиши, и далее процесс повторяется. В этом случае преимущество от использования прерывания очевидно (принципы работы системы прерывания программ описаны в разделе 2.6).

При программно-управляемой передаче данных ЦП на всё время этой передачи отвлекается от выполнения основной программы. Операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать логически сложную быстродействующую аппаратуру процессора. Вместе с тем при пересылке блока данных ЦП приходится для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) выполнять довольно много инструкций, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчёт количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т. п. В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных под управлением процессора оказывается недостаточной. Поэтому для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки ЦП от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти.

Прямой доступ к памяти

Прямой доступ к памяти (DMA – Direct Memory Access) – это такой способ обмена данными, который обеспечивает автономно от ЦП установление связи и передачу данных между ОП и ПУ. Прямой доступ к памяти освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода, позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с обменом данными между ОП и ПУ, производить этот обмен со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью ОП или ПУ.

Таким образом, ПДП, разгружая процессор от обслуживания ввода-вывода, способствует возрастанию общей производительности ЭВМ. Повышение предельной скорости ввода-вывода информации делает машину более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП (DMA) (см. рис. 5.2), который выполняет следующие функции:

Рис. 5.2. Прямой доступ к памяти

1. Управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОП и ПУ.

2. Задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче.

3. Формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче.

4. Подсчёт числа единиц данных (байт, слов), передаваемых от ПУ в ОП или обратно, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.

ПДП обеспечивает высокую скорость обмена данными за счёт того, что управление обменом производится не программным путем, а аппаратурными средствами.

В современных ЭВМ используются все перечисленные способы передачи данных.

5.3. Системная организация компьютеров на базе современных чипсетов

5.3.1. Системная организация на базе чипсетов компании Intel

Поскольку основными производителями процессоров для персональных компьютеров – самого массового сегмента рынка, являются фирмы Intel и AMD, то существуют семейства чипсетов под эти процессоры. В последнее время корпорации Intel удалось организовать практически полную монополию разработанных ею чипсетов для собственных процессоров. Бывшим лидерам рынка чипсетов, таким как VIA Technologies, SIS, NVIDIA, пришлось переориентироваться на разработку системной логики для других процессоров, например, AMD, VIA.

Поиск по сайту: