Математический 15-разрядный адрес БЭСМ-6 делится на две части Старшие 5 разрядов определяют номер математической страницы, а младшие 10 разрядов - номер слова в данной странице. В структуре машины предусмотрена небольшая по объему, очень быстрая память, хранящая таблицу соответствия математических страниц (или листов) физическим страницам, и пятиразрядный номер математической страницы аппаратно подменяется соответствующим номером физической страницы. Иными словами, номер математической страницы можно рассматривать как адрес строки в таблице соответствий, по которому выбирается необходимая физическая страница реально существующей памяти машины. Таким образом, полный физический адрес слова в памяти формируется из раз рядов номера физической страницы, выбранных из таблицы, и разрядов номера слова в странице, взятых из математического адреса.
Отметим еще раз, что подмена номеров страниц производится очень быстро и делается полностью автоматически. Этот аппарат подмены номеров страниц позволяет в конечном итоге любой математической странице приписывать физический номер, а следовательно, дает возможность произвольным образом распределять реальную физическую память между математическими страницами путем изменения содержания регистровой памяти таблицы соответствия, или "приписки" таблицы.
Это открывает широкие возможности для динамического распределения и перераспределения ресурсов физической памяти между задачами, идущими в мультипрограммном режиме.
Аппарат защиты памяти, имеющий также очень важное значение для машин, работающих в мультипрограммном режиме, в БЭСМ-6 также тесно связан с постраничной организацией памяти. Каждая математическая страница может находиться в состоянии или закрытом, или открытом для чтения и записи чисел и команд. Аппаратно каждой странице ставится в соответствие триггер, указывающий ее состояние (открыта или закрыта по записи и чтению чисел); признаком защиты страницы по обращению за командами является код из всех нулей в строке таблицы соответствий. Тем самым в БЭСМ-6 защита по числам и по командам разделена. Это полезно для организации программ, обслуживающих несколько независимых задач.
Кроме аппарата защиты памяти в БЭСМ-6 существует аппарат защиты привилегированных команд. Ряд команд, с помощью которых можно изменять содержимое управляющих регистров, непосредственно воздействовать на внешние устройства и внешние каналы, связанные с машиной, могут выполняться только в "супервизорном" режиме, т. е. в режиме, в котором работает операционная система. Попытка выполнить привилегированную команду в обычной программе приводит к прерыванию и прекращению выполнения этой программы. Супервизорный и обычный режимы работы машины тем самым аппаратурно различаются, в супервизорном режиме допустимо выполнение всего репертуара команд машины, в обычном математическом режиме часть команд не может быть выполнена.
Защита памяти и привилегированных команд позволяет так организовать одновременное решение нескольких задач на машине, чтобы полностью исключить всякое влияние одних задач на другие. Как правило, почти во всех программах, первый раз пропускаемых на машине, содержатся ошибки, порой самые непредвиденные, и очень важно, чтобы эти ошибки не повлекли за собой отказ всей системы в целом или порчи соседних программ и задач. Система прерываний БЭСМ-6 построена следующим образом. В аппаратуре машины предусмотрен так называемый главный регистр прерываний (ГРП) и регистр маски (РМ).
За каждым разрядом ГРП закреплена функция сигнализации появления сигнала прерываний от конкретных внешних устройств или от вполне определенных ситуаций, сложившихся в центральном устройстве машины. Соответственно главный 48-разрядный регистр прерываний разделен на две половины. В первой его половине расположены сигналы прерываний, поступающие от внешних устройств, сигнализирующие об окончании обменов, о появлении информации на входных регистрах, пришедшей с внешних устройств и т.д. Во второй половине расположены разряды, сигнализирующие об особых ситуациях, возникших внутри машины, например о переполнениях на арифметическом устройстве, о попытке деления на нуль, о попытках обращения к закрытой странице за числами или за командами, о возникновении контроля при передачах слов и командной информации между памятью и арифметическим устройством. Внутренние прерывания имеют более старший приоритет по сравнению с прерываниями от внешних устройств.
Регистр маски, содержание которого может меняться определенными привилегированными командами, служит для того, чтобы позволить операционной системе на определенное время блокировать срабатывание схемы прерывания от внешних устройств, не требующих моментальной реакции на свои сигналы. Маска тем самым позволяет "закрывать глаза" на некоторые внешние прерывания. Это важно для организации программно управляемого приоритета обслуживания внешних запросов, и операционная система широко этим пользуется. Один из разрядов главного регистра прерываний связан с периферийным регистром прерывания и сигнализирует лишь о том, что на периферийном регистре появился где-то сигнал прерывания. Периферийный регистр связан с медленнодействующими внешними устройствами, сигналы от которых поступают достаточно редко. Как и главный регистр прерываний, периферийный регистр имеет свою маску, позволяющую блокировать появление прерываний, реагировать на которые в данный момент по какой-либо причине нежелательно. Таким образом, система прерываний БЭСМ-6 построена по иерархическому принципу. Кроме того, в машине существует несколько регистров, в разрядах которых появляется информация о текущем состоянии внешних устройств. Эту информацию в любой момент можно извлечь и уяснить, например, такие вещи: находится ли данное устройство или канал в исправном состоянии, включено ли данное устройство, подматывается ли магнитная лента и т. д. Главный регистр прерываний, периферийный регистр прерываний и регистры состояний позволяют вкупе машине БЭСМ-6 реагировать на 240 различных признаков, характеризующих состояние внешней среды и внутреннее состояние машины.
Как же происходит прерывание? Если в каком-либо разряде ГРП появился сигнал прерывания и в соответствующем разряде маски этот сигнал не заблокирован, текущая программа прекращает свое выполнение, и управление принудительно передается на некоторую фиксированную физическую ячейку памяти. Одновременно машина переводится в состояние супервизорного режима, отменяются все другие прерывания и в некоторых управляющих регистрах аппаратно запоминается состояние прерванной программы. Это состояние характеризуется номером команды, на которой произошло прерывание, и статусом прерванной программы, т. е. запоминается тот режим, в котором она выполнялась. Прерванная программа, например, могла выполняться, в свою очередь, в режиме супервизора или в обычном режиме, могла выполняться в режиме блокировки схемы приписки адресов или в режиме преобразования математических адресов в физические, наконец, могла выполняться в режиме экстракодов, о котором будет сказано несколько ниже, в режиме блокировки прерываний по переполнению арифметического устройства. Иными словами, при прерывании схемно запоминается тот минимум, который необходим для последующего возврата в прерванную программу. Блок управляющей программы, анализирующий причину прерывания и организующий обращение к соответствующему блоку реакции на данное прерывание, располагается, начиная с фиксированной ячейки, на которую передается управление. Можно сказать, что операционная система начинается с этой фиксированной ячейки.
Для того чтобы пояснить значение структурных особенностей БЭСМ-6, мы расскажем о том, как работают некоторые блоки диспетчера операционной системы, реагирующие на прерывания от внешних устройств, на прерывания по защите памяти, организующие таблицу соответствий, обеспечивающие переключение задач в мультипрограммном режиме. Эти блоки называют внутренними блоками диспетчера, они обычно принадлежат к резидентской части операционной системы и составляют основу ее ядра. Мы начнем с блока реакций на прерывания от внешних устройств. Как уже говорилось, при прерывании производится принудительная передача управления на фиксированную ячейку, как раз с этой ячейки и начинается программа реакции на прерывания, и начинается она блоком упрятывания.
Прежде всего в этом блоке производится пересылка содержимого сумматора (его старших и младших разрядов) в некоторые ячейки закрытой области памяти. Это делается для того, чтобы программы операционной системы могли свободно пользоваться сумматором, не заботясь о его сохранности. Затем производится пересылка значений двух индексных регистров в память с тем, чтобы сохранить то их содержание, которое было им придано прерванной задачей, и тем самым дать возможность программам операционной системы пользоваться этими индексными регистрами для своих целей. Далее на сумматор считывается содержимое главного регистра прерываний, отыскивается номер самого старшего разряда, давшего прерывание, и по этому номеру производится передача управления по переключателю на блок, реагирующий именно на прерывание с данным номером. Например, если оказалось, что номер самого старшего разряда равен 3, то это означает, что закончился обмен по магнитному барабану и управление передается на специальный блок, занимающийся обработкой прерываний по концу обмена. Если номер оказался равным 1, то это означает наступление момента, когда можно выдавать некоторый символ на строку печати, и передача управления происходит на соответствующий блок, организующий выдачу строки символов на печатающее устройство. Процедура упрятывания, сохранения необходимой информации и передачи управления на соответствующий блок реакции отнимает у центрального процессора около 23 мксек.
Несмотря на то, что это время кажется не очень большим, оно ставит некоторые ограничения на максимально допустимую частоту поступающих прерываний, с которыми могут справиться процессор и операционная система. Поэтому очень важно оптимизировать по времени работу блоков операционной системы, идущих с закрытым прерыванием. Как мы знаем, при прерывании машина переводится в супервизорный режим, в состояние с запрещением дальнейшего прерывания и с блокировкой схемы "приписывания" адресов. Для того чтобы не потерять, точнее, не упустить время реакции на другие прерывания, которые могут возникнуть в момент работы центрального процессора в этом режиме с "закрытыми глазами", нужно заботиться о том, чтобы как можно скорее "открыть" прерывания.
В диспетчере принята следующая логика, уменьшающая вероятность потери прерываний. Любая программа, реагирующая на конкретную причину прерываний, состоит из двух блоков: блока минимально необходимой реакции, идущего с закрытым прерыванием, и блока, который может производить работу с открытым (незапрещенным) прерыванием. После выполнения блоков минимально необходимой реакции управление передается на блок поиска старшего разряда, давшего прерывание. В том случае, если не появилось новых прерываний, управление передается блоку реакции, который идет с открытым прерыванием. Блок-схема программы реакции на прерывания представлена на рис. 2. Из приведенной блок-схемы видно, что блоки минимальной реакции на соответствующее прерывание завершают свою работу постановкой в очередь заказа на дальнейшую обработку данного прерывания, которая может идти уже с открытым прерыванием. Чтобы была более понятна разница между блоком минимальной реакции на i-е прерывание и блоком дальнейшей обработки, приведем следующий пример.
рис. 2
В процессе считывания информации с перфокарт прерыванием фиксируется момент появления считанной строки (или столбца) на регистре мультиплексного канала. Эта информация должна как можно скорее быть снята с этого регистра, чтобы освободить его для дальнейшей работы.
Блок минимальной реакции выполняет работу по освобождению входного регистра и записи информации в ячейки ОЗУ. Кроме этой работы блок реакции на прерывания должен выполнить большой объем работы по семантическому контролю содержания строки, по компоновке символов для засылки их в память машины, т. е. выполнить работы по редактированию введенной информации. Эта работа должна быть выполнена до прихода со считывающего устройства следующей строки информации. Между моментами появления строк проходит сравнительно большой промежуток времени, и эти работы по редактированию на проходе можно выполнять "не спеша".
Блок минимальной реакции заканчивается выдачей заказа на работу по редактированию, причем этой работе назначается сравнительно невысокий приоритет. Блок выбора работы для продолжения обслуживаний прерываний выбирает на исполнение работу с наивысшим приоритетом, вообще говоря, вне зависимости от того, в какой последовательности реально возникли прерывания, поставившие в очередь работы на исполнение.
Для того чтобы лучше пояснить значение аппарата защиты памяти в БЭСМ- 6, расскажем о том, как этим аппаратом пользуется операционная система (ОС). Задача, поступающая в систему, снабжается некоторым описанием тех ресурсов, которые она потребует от системы в процессе своего решения. Эта информация называется паспортом задачи. В частности, в паспорте указывается число листов ОЗУ, которое ей потребуется для решения.
На основе описания ресурсов требуемой математической памяти ОС анализирует наличие свободных ресурсов в машине к моменту поступления задачи, и если свободных ресурсов достаточно, то задача вводится в решение. При этом ОС назначает каждому требуемому математическому листу памяти задачи физический лист оперативного запоминающего устройства либо страницу на магнитном барабане. В результате такого назначения в операционной системе формируется таблица соответствия математических листов их физическому месторасположению.
В тот момент, когда данная задача начинает решаться, точнее, в тот момент, когда в ее распоряжение отдается центральный процессор, на основе этой таблицы формируется содержание аппаратных регистров приписки для тех математических листов, которым выделена в данный момент оперативная физическая память. Тем математическим листам, которым выделена память на барабанах или которые вообще не затребовала задача, приписывается признак защиты. Если в ходе своего решения задача не обращается к листам, отображенным на магнитные барабаны, или к листам, для нее не существующим, то процесс счета происходит нормально. В том случае, если программа задачи обратилась к математическому листу, который находится на барабане, срабатывает прерывание по защите, и операционная система, анализируя причину прерывания, стремится "перекачать" этот лист с барабана. на первый свободный лист оперативной памяти. Иногда для этого ей приходится "сбросить" какой-либо лист на барабан, освободив тем самым лист оперативной памяти. Пока производится "подкачка" листов для того, чтобы можно было продолжить решение задачи, прерванное по защите программы, центральный процессор отдается в распоряжение другой задаче. Очевидно, стратегия, т. е. методы распределения листов задач между оперативной памятью и памятью на магнитном барабане должны быть выбраны так, чтобы минимизировать число "сбросов" и "подкачек", так как это прямо влияет на эффективность мультипрограммной работы. Таких методов существует много, и о них должен быть особый разговор, выходящий за рамки данной книги. Итак, система защиты и приписки используется операционной системой для организации динамического распределения ресурсов двухуровневой памяти. Но этой же системой ОС пользуется для того, чтобы совместить вычисления с работой внешних запоминающих устройств и устройств ввода-вывода.
Как только программа задачи обращается к процедуре вывода (ввода) информации с какого-либо математического листа, этот лист "закрывается" по защите вплоть до окончания процесса вывода (ввода). Теперь задача, задав ОС директиву выполнить ввод-вывод, может свободно продолжать вычисления, которые не пользуются информацией с листа, находящегося в обмене, и в этом случае работа по вводу-выводу будет совмещена со счетом. Стоит лишь задаче обратиться к листу, находящемуся в процессе обмена, как произойдет прерывание и операционная система заставит эту задачу подождать окончания обмена. Тем самым достигается синхронизация параллельных процессов счета и ввода-вывода. И, наконец, если программа задачи обратилась к незаказанному листу ОЗУ, т.е. совершила попытку обратиться к "чужому" листу, то опять срабатывает прерывание по защите и операционная система фиксирует ошибку в программе и выбрасывает задачу из решения, предоставляя занятые ею ресурсы в распоряжение других задач.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта https://parallel.ru/