25. Пропускная способность процессора и памяти

Рост производительности ЭВМ проявляется в повышении скорости, которая достигается за счет использования более новых быстродействующих электронных схем, специальных архитектурных решений, к которым относятся: конвейерная и веерная обработка информации связанной с работой ОП. Быстродействие ОП также растет, однако это быстродействие все время отстает от быстродействия П, потому что одновременно происходит рост её объема, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы ОП. Без согласования пропускных способностей П и ОП невозможно реализовать производительность соответствующую быстродействию П. Для решения указанных проблем используются следующие структурные решения:

1. конвейеризация процедур цикла выполнения команды. Принцип ак. Глушкова;

2. расслоение ОП путем многомодульного построения с веерной адресацией;

3. буферизация (использование более быстродействующей, чем ОП буферной памяти).

ОП

Буфер данных

Буфер команд

Функциональные устройства П

Эта буферная память является структурным элементом процессора и включается между П и ОП. Такая память является скрытой для пользователя (или кэш - память), к ней нет возможности обращения и её обнаружения. Но присутствие её позволяет повысить быстродействие системы в целом. При обращении П к ОП для считывания, в кэш – память передается блок информации из ОП, содержащий нужное слово. Происходит опережающая выборка, т.к. высока вероятность того, что ближайшее обращения будут происходить к словам этого же блока, уже находящихся в кэш. Это приводит к уменьшению среднего времени, которое затрачивается на выбор данных. Эффективность кэш – памяти зависит от её емкости, размера блока, соотношения времени считывания слова из кэш и блока из ОП проявляется в уменьшении среднего времени, которое затрачивается на выборку данных и определяется выражением:

, где t_кэш – время считывания слова из кэш; t_{оп.блок} – время считывания блока из ОП;

k_ср – среднее число обращений к кэш между двумя последовательными обращениями к ОП.

По способу запоминания новой информации выделяют:

• запоминание в кэш и ОП одновременно (всегда в ОП есть последняя копия хранящейся в кэш информации);

• запоминание только в кэш (копирование в ОП происходит только передачи к другим устройствам или вытеснении из кэш).

26. Организация систем ввода-вывода

В ЭВМ кроме П и памяти, которые образуют обрабатывающее ядро, содержится также разнообразные по выполняемым функциям и принципам действия ПУ, предназначенные для хранения значительных объемов информации (ВЗУ) и для осуществления функций ввода-вывода информации (УВВ). Передача информации из ПУ в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а из ядра в ПУ – операцией вывода. Связь устройств между собой в ЭВМ осуществляется с помощью сопряжения, которое называется интерфейсом. Он представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенных для осуществления обмена между устройствами. Характеристики интерфейсов в значительной степени влияют на производительность и надежность ЭВМ.

Проблемы построения систем ВВ:

• обеспечение возможности реализации ЭВМ с переменным составом оборудования;

• реализация параллельной работы П над программой и выполнение процедур ВВ;

• стандартизация операций ВВ;

• обеспечение автоматического распознавания и реакция ядра ЭВМ на ситуации в ПУ.

Пути решения проблем:

• модульность;

• унифицированные форматы данных для обмена, унифицированные форматы сообщений о состоянии внешнего устройства;

• унифицированный интерфейс;

• унифицированные, не зависящие от типа ПУ, форматы и набор команд П для операций ВВ.

Для обеспечения параллельной работы во времени ПУ с выполнением программы П, схемы управления ВВ отделяют от процессора и придают им автономность. Многие функции управления операциями ВВ не зависят от типа ПУ, являются общими. Другие, напротив – являются специфическими для данного типа устройств. В соответствии с этим выполнение общих функций возлагает на общие для групп периферийного оборудования унифицированные устройства (контроллеры и П каналов ВВ). А специфические функции на специализированные для данного типа ПУ, электронные блоки управления (адаптеры).

Несмотря на разнообразие ПУ, в настоящее время разработано несколько стандартных способов их подключения к ЭВМ и программирование ВВ. Существует три режима ВВ:

1. Программный ВВ (нефорсированный).

2. ВВ по прерыванию (форсированный).

3. Прямой доступ к памяти.

Программный ВВ. Инициирование и управление ВВ осуществляет процессор. ПУ играют пассивную роль и только сигнализируют о своем состоянии, в частности о готовности к операциям ВВ.

ВВ по прерываниям. Операции ВВ инициируются ПУ, генерирующим сигнал прерывания, при этом процессор переключается на подпрограмму обслуживания данного ПУ, вызывающего прерывание. В результате выполнения подпрограммы осуществляется обмен данными. Действие, выполняемое этой подпрограммой, определяется пользователем, а непосредственными операциями ВВ управляет процессор.

Прямой доступ к памяти. Процессор в передаче данных не участвует. Он отключается от системной шины, а все операции обмена данными идут под управлением специального управляющего устройства - контроллера ПДП. Этот режим используется для быстродействующих ПУ, когда пропускной способности процессора недостаточно.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВВ

1. Передача данных осуществляется по общей системной шине (что характерно для микроЭВМ), либо по специальной шине ВВ (что характерно для мини- и больших ЭВМ).Иногда отдельная быстродействующая шина ВВ выделяется только для обмена в режиме ПДП.

2. Подключение ПУ к системной шине осуществляется с помощью программно-аппаратных средств, называемых интерфейсом ВВ