Устройство управления (control unit) — устройство, которое координирует выполнение команд программы процессором. Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic unit) обеспечивает выполнение команд, предусматривающих арифметическую или логическую обработку операндов. Эти устройства являются своего рода «мозгом» процессора, т.к. именно функционирование устройства управления и арифметико-логического устройства обеспечивают выполнение программы. Рассмотрим упрощенную схему выполнения программы (Рис. 27) в модельном компьютере.
Рис. 27. Схема выполнения программы.
Пусть в начальный момент времени в счетчике команд СчК находится адрес первой команды программы. Для упрощения изложения будем считать, что система команд компьютера и система адресации оперативной памяти таковы, что любая команда размещается в одном машинном слове, адреса соседних машинных слов отличаются на единицу. Итак, рассмотрим последовательность действий в устройстве управления процессора при выполнении программы.
1. По содержимому счетчика команд СчК выбирается команда для выполнения. Формируется адрес следующей команды: СчК = СчК + 1.
2. Осуществляется анализ кода операции:
- Если это код арифметической или логической операции, то вычисляются исполнительные адреса операндов, выбираются значения операндов, команда передается для исполнения в арифметико-логическое устройство (передается код операции и значения операндов). В арифметико-логическом устройстве происходит выполнение команды, а также происходит формирование кода признака результата в регистре слова состояния процессора или в специальном регистре результата. Переход на п.1.
- Если это команда передачи управления, то происходит анализ условий перехода (анализируется содержимое кода признака результата предыдущей арифметико-логической команды с условиями перехода, соответствующими команде). Если условие перехода не выполняется, то переход на п.1. Иначе, вычисляется исполнительный адрес операнда Аперехода, затем: СчК = Аперехода, переход на п.1.
- Если команда загрузки данных из памяти в регистры общего назначения, то вычисляются исполнительные адреса операндов, выбираются значения операндов из памяти, значения записываются в соответствующие регистры. Переход на п.1.
Последовательность действий, происходящая в процессоре при выполнении программы, называется рабочим циклом процессора. По ходу рассмотрения материала мы будем уточнять рабочий цикл нашего обобщенного модельного компьютера.
КЭШ-память
Ключевой проблемой функционирования компьютеров является проблема несоответствия производительности центрального процессора и скорости доступа к информации, размещенной в оперативной памяти. Мы рассмотрели аппаратные и программно-аппаратные средства, применение которых позволяет частично сократить этот дисбаланс. Однако, ни организация расслоения памяти, ни использование регистров общего назначения для размещения наиболее часто используемых операндов не предоставили кардинального решения проблемы. Решение, которое на сегодняшний день является наиболее эффективным, основывается на аппаратных средствах, позволяющих при выполнении программы автоматически минимизировать количество реальных обращений в оперативную память за операндами и командами программы за счет кэширования памяти — размещения части данных в более высокоскоростном запоминающем устройстве. Таким средством является КЭШ-память (cache memory) — высокоскоростное устройство хранения данных, используемое для буферизации работы процессора с оперативной памятью. В общем случае, кэш представляет собою аппаратную «емкость», в которой аккумулируются наиболее часто используемые данные из оперативной памяти. Обмен данными при выполнении программы (чтение команд, чтение значений операндов, запись результатов) происходит не с ячейками оперативной памяти, а с содержимым КЭШа. При необходимости из КЭШа «выталкивается» часть данных в ОЗУ или загружаются из ОЗУ новые данные. Варьируя размеры КЭШа, можно существенно минимизировать частоту реальных обращений к оперативной памяти. Размещение и команд, и данных в одном КЭШе может приводить к тому, что команды и данные начинают вытеснять друг друга, увеличивая при этом обращения к оперативной памяти. Для исключения недетерминированной конкуренции в КЭШе между командами программы и обрабатываемыми данными современные компьютеры имеют два независимых КЭШа: КЭШ данных и КЭШ команд, каждый из которых работает со своим потоком информации — потоком команд и потоком операндов.
Рис. 28. Общая схема работы КЭШа.
Общая организация КЭШа следующая (Рис. 28).
1. Условно, вся память разделяется на блоки одинакового размера. Обмен данными между КЭШем и оперативной памятью осуществляется блоками (размер блока может соответствовать машинному слову или группе машинных слов). Здесь мы можем видеть возможное проявление преимущества использования памяти с расслоением, так как загрузка блока из оперативной памяти в КЭШ осуществляется с использованием параллелизма работы «расслоенной» оперативной памяти.
2. Каждому блоку КЭШа ставится в соответствие адресный тег, по содержимому которого возможно однозначно адресовать содержимое блока. Таким образом, после вычисления исполнительного адреса операнда или команды устройство управления может определить, находится ли соответствующая информация в одном из блоков КЭШ-памяти или нет. Факт нахождения искомых данных в КЭШе называется попаданием (hit). Если искомых данных нет в КЭШе, то фиксируется промах (cache miss).
3. При возникновении промаха происходит обновление содержимого КЭШа. Для этого выбирается блок-претендент на вытеснение, т.е. блок, содержимое которого будет заменено. Стратегия этого выбора зависит от конкретной организации процессора. Существуют КЭШи, вытеснение блоков которых осуществляется случайным образом, т.е. номер блока, который должен быть вытеснен, определяется с использованием встроенного генератора случайных чисел. Альтернативой случайного вытеснения является вытеснение наименее «популярного» блока, т.е. блока, к содержимому которого происходило наименьшее число обращений (LRU — Least-Recently Used).
4. Отдельно следует обратить внимание на организацию вытеснения блока в КЭШе данных, т.к. содержимое блоков КЭШа может не соответствовать содержимому памяти: это возникает при обработке команд записи данных в память. В этом случае также возможно использование нескольких стратегий. Первая — сквозное кэширование (write-through caching): при выполнении команды записи данных обновление происходит как в КЭШе, так и в оперативной памяти. Таким образом, при вытеснении блока из КЭШа происходит только загрузка содержимого нового блока. Данная стратегия оправдана, т.к. статистические исследования показывают, что частота чтения данных превосходит частоту их записи на порядок. Другой стратегией является кэширование с обратной связью (write-back caching), суть которой заключается в использовании специального тега модификации (dirty bit). При выполнении команды записи по адресу, содержимое которого кэшируется в одном из блоков, происходит обновление соответствующей этому адресу информации в блоке КЭШа, а также установка в блоке тега модификации. Соответственно, при вытеснении блока осуществляется контроль за содержимым тега. Если тег модификации установлен, то содержимое блока перед вытеснением «сбрасывается» в память. Тем самым минимизируется частота выполнения операции записи в память.
Кэширование памяти в современных вычислительных системах применяется не только для оптимизации взаимодействия центрального процессора и оперативной памяти. В настоящем пункте мы рассмотрели модельный аппарат КЭШ как компонент процессора — это т.н. КЭШ первого уровня. Современные компьютеры могут включать в свой состав иерархию устройств, кэширующих более медленные устройства хранения данных. Рассмотрению этого вопроса будет посвящен отдельный раздел.
Организация и использование КЭШ-памяти в процессоре развивает рабочий цикл модельного компьютера, рассмотренный выше: при выборке очередных команд, получении операндов команд и записи результатов выполнения команд в ОЗУ добавляются схемы организации использования КЭШ-памяти.
Аппарат прерываний
Если мы обратим внимание на представленный выше рабочий цикл процессора, то увидим, что такая схема не предусматривает возможности обработки ошибочной ситуации, которая может возникнуть в системе в ходе выполнения программы. Что будет с компьютером, если в программе, которую он выполняет, встретится команда с кодом операции, обработка которого не предусмотрена аппаратурой? Что будет, если выполняется корректная команда, но значения операндов приводят к невозможности выполнения соответствующей команде операции, например, деление на ноль? Что будет, если при программном обращении к внешнему устройству оно сломалось? В первых компьютерах происходила остановка работы всего компьютера, обработка ситуации, вызвавшей аварийную остановку (АВОСТ). Современные вычислительные системы не могут позволить себе остановку работы всей системы из-за возникновения тех или иных проблем в программе или в компонентах компьютера. Для решения проблем автоматизации обработки событий, возникающих в вычислительной системе, в современных компьютерах предусмотрен аппарат прерываний.
Прерыванием называется событие в компьютере, при возникновении которого в процессоре происходит предопределенная последовательность действий. Состав прерываний — множество разновидностей событий, на возникновение которых предусмотрена стандартная реакция центрального процессора, — фиксирован и определяется конструктивно при разработке компьютера. Аппарат прерываний компьютера позволяет организовывать стандартную обработку всех прерываний, возникающих при функционировании вычислительной системы. Традиционно прерывания разделяются на две группы: внутренние прерывания и внешние прерывания.
Внутренние прерывания инициируются схемами контроля работы процессора. К примеру, внутреннее прерывание может возникнуть в процессоре при попытке выполнения команды деления, операнд-делитель которой равен нулю. Также внутреннее прерывание возникнет в ситуации, когда при обработке очередной команды адрес одного из операндов выходит за пределы адресного пространства оперативной памяти.
Внешние прерывания — события, возникающие в компьютере в результате взаимодействия центрального процессора с внешними устройствами. Примером внешнего прерывания может служить событие, связанное с вводом символа с клавиатуры персонального компьютера.
Обработка прерывания предполагает две стадии: аппаратную, которая включает реакцию процессора на возникновение прерывания, и программную, которая предполагает выполнение специальной программы обработки прерывания, являющейся частью операционной системы.
Рис. 29. Схема обработки прерывания.
Рассмотрим обобщенную модель последовательности действий, происходящих в ВС при возникновении прерывания (Рис. 29). Сначала рассмотрим этап аппаратной обработки прерывания.
1. Завершается выполнение текущей команды (за исключением случаев, когда прерывание возникает по причине некорректного выполнения команды).
2. Обработка прерывания предполагает остановку выполнения текущей программы, запуск специальной программы обработки прерывания, а затем, возможно, продолжение выполнения прерванной программы. Поэтому аппаратный этап обработки прерываний регламентирует перечень регистров, которые автоматически будут сохранены процессором. Это специальные регистры, содержимое которых описывает состояние процессора в точке прерывания выполнения программы (счетчик команд, регистр результатов, регистры, содержащие режимы работы процессора), а также несколько регистров общего назначения, которые могут быть использованы программой обработки прерываний в начальный момент времени. Процедура аппаратного сохранения регистров в различных компьютерах может происходить по-разному. Простейшая модель следующая. Включается режим блокировки прерываний. При этом режиме в системе запрещается инициализация новых прерываний: возникающие в это время прерывания могут либо игнорироваться, либо откладываться (зависит от конкретной аппаратуры компьютера и типа прерывания).
3. Аппаратное копирование содержимого сохраняемых регистров. Включенный режим блокировки прерывания гарантирует сохранность этих данных до момента завершения предварительной обработки прерывания и выключения блокировки прерываний.
4. Переход на программный этап обработки прерываний. Для перехода на программный этап обработки прерываний необходимо решить вопрос, как аппаратура передаст операционной системе информацию о том, какое прерывание произошло. Существует несколько моделей аппаратного решения этого вопроса.
- Первая модель — использование специального регистра прерываний, каждый разряд которого соответствует конкретному прерыванию, т.е. если, к примеру, в разряде, соответствующем прерыванию от клавиатуры появляется единица, это означает, что произошло соответствующее прерывание. Для расширения числа обрабатываемых прерываний возможно использование иерархической модели регистров прерывания (Рис. 30). Она предполагает, что имеется главный регистр прерывания и периферийные. В главном регистре прерывания выделяются разряды, индицирующие не только появление конкретных прерываний, но и разряды, индицирующие появление прерываний в периферийных регистрах. В данной модели управление передается в операционную систему на адрес входа в программу.
Рис. 30. Использование иерархической модели регистров прерывания.
- Вторая модель — использование регистра слова состояния процессора. В этом случае в данном регистре резервируется часть разрядов, в которых отображается номер возникшего прерывания. Управление также передается на фиксированный адрес входа в программу обработки прерываний.
- Третья модель — использование вектора прерываний. Предполагается, что по количеству возможных прерываний в ОЗУ выделена группа машинных слов — вектор прерываний. Каждое слово вектора прерываний содержит адрес программы, обрабатывающей данное прерывание (31). При возникновении прерывания после сохранения регистров осуществляется передача прерывания по адресу, соответствующему номеру прерывания.
Рис. 31. Использование вектора прерываний.
Теперь рассмотрим этап программной обработки прерывания. Управление передано на адрес программы ОС, занимающейся обработкой прерывания. При входе в эту точку часть ресурсов ЦП, используемых программами, освобождена (результат аппаратного сохранения регистров). Поэтому будет запущена программа ОС, которая может использовать только освобожденные ресурсы ЦП (перечень доступных в этот момент регистров — характеристика аппаратуры). Выполняется следующая последовательность действий (Рис. 32).
Рис. 32. Этап программной обработки прерываний.
1. Анализ и предварительная обработка прерывания. Происходит идентификация типа прерывания, определяются причины.
- Если прерывание «короткое», т.е. обработка не требует дополнительных ресурсов ЦП и времени, то прерывание обрабатывается, выключается режим блокировки прерываний, восстанавливается состояние процессора, соответствующее точке прерывания исходной программы, и передается управление на прерванную точку. Примером подобного «короткого» прерывания может служить прерывание от таймера для коррекции времени в системе. Если прерывание требует использования всех ресурсов ЦП, то переходим к следующему шагу (п.2).
- Если прерывание является «фатальным» для программы, т.е. после этого прерывания продолжить выполнение программы невозможно (например, в программе произошло обращение к несуществующему в ОЗУ адресу), то выключается режим блокировки прерываний, и управление передается в ту часть ОС, которая прекратит выполнение прерванной программы.
2. «Полное сохранение»: осуществляется полное сохранение всех регистров ЦП, использовавшихся прерванной программой, в специальную программную таблицу. В данную таблицу копируется содержимое регистровой или КЭШ-памяти, содержащей сохраненные значения ресурсов ЦП, а также копируются все оставшиеся регистры ЦП, используемые программно, но не сохраненные аппаратно. После данного шага программе обработки прерываний становятся доступны все ресурсы ЦП, а прерванная программа получает статус ожидания завершения обработки прерывания. В общем случае, программ, ожидающих завершения обработки прерывания, может быть произвольное количество.
3. До данного момента времени все действия происходили в режиме блокировки прерываний. Почему? Потому что режим блокировки прерываний — единственная гарантия того, что не придет новое прерывание, и при его обработке не потеряются данные, необходимые для продолжения прерванной программы (регистры, режимы, таблицы ЦП). После полного сохранения регистров происходит снятие режима блокировки прерываний, то есть включается стандартный режим работы процессора, при котором возможно появление прерываний.
4. Операционная система завершает обработку прерывания.
Мы рассмотрели модельную, упрощенную схему обработки прерывания: в реальных системах она может иметь отличия и быть существенно сложнее. Но основные идеи обычно остаются неизменными. Аппарат прерываний позволяет системе фиксировать и корректно обрабатывать различные события, возникающие как внутри компьютера, так и вне него.
Внешние устройства
Внешние[R6] устройства во многом определяют эксплуатационные характеристики как компьютера, так и вычислительной системы в целом. Размер экрана монитора, объем и производительность магнитных дисков, наличие печатающих устройств, модемов, и т.д. — характеристики компьютера на которые зачастую в первую очередь обращает внимание массовый пользователь. Значимость внешних устройств компьютера в вычислительной системе возрастала по мере развития сфер применения вычислительной техники. Если основным применением первых компьютеров было численное решение задач моделирования физических процессов, и для этих целей было достаточным иметь в компьютере высокопроизводительный (по меркам того времени) процессор, достаточный для решения задач данного класса объем оперативной памяти, простейшие устройства печати и ввода данных, внешнее запоминающее устройство для хранения исходных и промежуточных данных, то спектр внешних устройств современных компьютеров несоизмеримо шире, что соответствует разнообразию задач, решаемых средствами современных вычислительных систем (Рис. 33).
Рис. 33. Внешние устройства.
Мы более подробно остановимся на характеристиках и особенностях использования внешних запоминающих устройств, как наиболее интенсивно используемых и значимых внешних устройствах вычислительных систем.