Учебное пособие по информатике 2014. Основы информатики
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
1. Инициализация. После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение первичного загрузчика - загрузить в память с устройства внешней памяти операционную систему. Эта программа может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматически считываться с некоторого устройства внешней памяти. Мы не будем здесь подробно останавливаться на механизмах загрузки операционной системы, тем более что они могут существенно различаться для разных типов ЭВМ. Пока будем полагать, что в памяти некоторым образом оказалась первая из подлежащих выполнению программ. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше. 2. Центральный процессор производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика. 3. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором как команда и помещается в регистр команды. Устройство управления поступает к интерпретации посчитанной команды. По полю кода Инициализация Выборка команды Увеличение программного счетчика Дешифрация и выполнение команды Остановка процессора Инициализация Нет Да 206 операции из первого слова команды устройство управления определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды. 4. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов. 5. Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т.д.). 6. Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память. 7. Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1. Описанная последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора. Большинство мини- и микроЭВМ имеют шинную организацию и их поведение описывается приведенным выше алгоритмом. В различных конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может несколько отличаться. Так, например, по-разному может осуществляться синхронизация, процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд. Часто используемые программой команды и данные могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и т.д. Таким образом, функционирование любой фон- неймановской ЭВМ описывается алгоритмом, близким к приведенному выше, и представляет собой последовательность достаточно простых действий. Функционирование ЭВМ с канальной организацией В основе этого типа организации ЭВМ лежит множественность каналов связи между устройствами и функциональная специализация узлов. Упрощенная схема организации ЭВМ с каналами приведена на рисунке 5.15. Сравним схему ЭВМ с каналами и описанную выше схему ЭВМ с шинной организацией. Все фон-неймановские ЭВМ очень похожи друг на друга и алгоритм функционирования центрального процессора по сути ничем не отличается от описанного выше. Помимо уже знакомого набора устройств (центральный процессор, память, устройства ввода-вывода) в состав ЭВМ с канальной организацией входят устройства, называемые каналами. Канал - это специализированный 207 процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между основной памятью и внешними устройствами. Устройства группируются по характерной скорости и подключаются к соответствующим каналам. «Быстрые» устройства (например, накопители на магнитных дисках) подсоединяются к селекторным каналам. Такое устройство получает селекторный канал в монопольное использование на все время выполнения операции обмена данными. «Медленные» устройства подключаются к мультиплексным каналам. Мультиплексный канал разделяется (мультиплексируется) между несколькими устройствам, при этом возможен одновременный обмен данными с несколькими устройствами. Доступ к оперативной памяти может получить и центральный процессор, и один из каналов. Для управления очередностью доступа имеется контроллер оперативной памяти. Он определяет приоритетную дисциплину доступа при одновременном обращении нескольких устройств к памяти. Наименьший приоритет имеет центральный процессор. Среди каналов больший приоритет имеют медленные каналы. Таким образом, приоритет обратно пропорционален частоте обращения устройств к памяти. За счет существенного усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода-вывода. Связь между отдельными узлами осуществляется по схеме, напоминающей треугольник (см. рисунок 5.15). Рисунок 5.15 – Упрощенная схема ЭВМ с канальной организацией: ЦП – центральный процессор, ВУ – внешние устройства Операции обмена данными становятся более простыми. Канал, по сути, представляет собой специализированный «интеллектуальный» контроллер прямого доступа к памяти (interrupt, INT, IRQ). Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена данными (процессор – основная память и каналы - основная память). О своем состоянии канал может информировать процессор с помощью прерываний (Direct Memory ЦП Контроллер оперативной памяти Оперативная память КАНАЛ 0 КАНАЛ 1 КАНАЛ 7 ВУ ВУ ВУ ВУ ВУ ВУ 208 Access, DMA). Все контроллеры внешних устройств подключаются к «своим» каналам с помощью стандартного интерфейса. Свобода подключения внешних устройств сохраняется благодаря стандартному протоколу интерфейса, при этом появляется возможность группировать устройства по характеристикам. Результатом введения каналов (специализированных процессоров ввода-вывода) является большая стандартизация и упрощение процессов обмена. С другой стороны, вводятся некоторые ограничения. Например, сохраняется только одна схема, напоминающая схему прямого доступа, с обменом информации между процессором и каналом по прерываниям. Канал, являясь хотя и специализированным, но все-таки процессором, выполняет свою канальную программу. Она состоит из канальных команд и хранится в оперативной памяти. Длина канальной программы произвольна, последняя команда канальной программы содержит признак конца. Подготовку канальной программы и загрузку ее в оперативную память осуществляет операционная система. После того как канальная программа подготовлена, адрес ее начала размещается в фиксированной ячейке памяти, называемой словом адреса канала CAW (Channel Address Word). Для управления каналами процессор имеет всего несколько команд. Операция обмена данными инициируется центральным процессором с помощью команды НАЧАТЬ ВВОД - ВЫВОД - SIO M,N (Start Input - Output). Операциями команды являются М – номер канала и N – номер устройства в канале. Выдав команду запуска обмена, процессор, не обращая внимания на обменный процесс, продолжает выполнять свою программу. Центральный процессор может проверить состояние канала с помощью команды ОПРОСИТЬ ВВОД - ВЫВОД - ТIO (Test Input - Output). Команда SIO M,N передается во все каналы, но воспринимает ее только канал М. Если канал занят, то он устанавливает соответствующее состояние своих регистров, и процессор по команде ТIO может выяснить, что запуск канальной программы не состоялся. Если канал свободен, он выполняет следующие действия. Во-первых, выбирает из оперативной памяти CAW в свой регистр, во-вторых, передает подключенным к нему устройствам команду SIO. Команда запуска ввода-вывода SIO М,N передается всем устройствам, но воспринимает ее только устройство N. Если устройство занято или не готово, в регистрах канала устанавливается соответствующее состояние и процессор по команде TIO может узнать о том, что операция обмена данными не состоялась. Если же устройство свободно и готово к обмену данными, оно устанавливает в интерфейсе сигнал ожидания. Вся дальнейшая обменная операция протекает по инициативе внешнего устройства. Получив сигнал ожидания, канал выбирает по адресу CAW адрес канальной команды и передает ее в контроллер внешнего устройства, где она выполняется. Канальные команды могут быть подготовительными или командами обмена данными. Подготовительные команды устанавливают режимы работы внешних устройств, осуществляют операции поиска и т.д. 209 Обменные команды содержат коды операций и адреса оперативной памяти. Обмен происходит по асинхронной схеме по инициативе внешнего устройства. Данные извлекаются из памяти и помещаются в нее напрямую, без посредников. После выполнения команды канал проверяет в выполненной команде признак конца. Если это не последняя команда, меняется адрес CAW и выбирается следующая команда. Если команда последняя, канал «привлекает к себе внимание» процессора с помощью сигнала прерывания. По сигналу прерывания запускается обработчик, являющийся частью операционной системы. Обработчик прерывания выполняет операции, завершающие обмен. Канал может сгенерировать сигнал прерывания до окончания канальной программы при возникновении исключительной ситуации. В этом случае операционная система запрашивает состояние регистров канала и выясняет, что именно произошло, и определяет, какие действия необходимо предпринять в возникшей ситуации. Отметим некоторые особенности канальных машин. Несколько подряд идущих канальных команд могут образовывать цепочку данных. В этом случае имеется одна команда обмена, например чтения физической записи из нескольких адресов оперативной памяти со счетчиков. Одна физическая запись распределяется в несколько адресов оперативной памяти. В ЭВМ с канальной организацией процессор практически полностью освобождается от рутинной работы по организации ввода-вывода. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными берет на себя канал. Наличие нескольких трактов передачи данных снимает трудности, связанные с блокировкой единственного тракта передачи данных (системной шины), что повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. В результате общая производительность системы существенно возрастает. Удорожание схемы окупается. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM-704. Ярким примером ЭВМ с каналами являются машины семейства IBM-360/370. Появление этих ЭВМ произвело переворот в вычислительной технике, и на долгие годы они стали образцом для подражания у создателей ЭВМ. Хотя в настоящее время эти машины ушли в прошлое, они оставили богатое наследие в виде интересных архитектурных решений, программных и алгоритмических разработок. В настоящее время схемы со специализированными процессорами ввода-вывода часто встречаются в ЭВМ различных типов. Несомненно, идея схемы с каналами не умерла, и к ней еще неоднократно будут возвращаться. 5.4 Сетевые технологии обработки данных На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80% из них объединены в различные информационно- 210 вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, e-mail – электронных писем и пр.), не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а также обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением. Такие огромные потенциальные возможности, которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а также значительное ускорение производственного процесса дают нам право принимать это к разработке и применять их на практике. Поэтому необходимо разработать принципиальное решение вопроса по организации ИВС (информационно-вычислительной сети) на базе уже существующего компьютерного парка и программного комплекса, отвечающего современным научно-техническим требованиям с учетом возрастающих потребностей и возможностей дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных решений. Понятие локальной вычислительной сети Под локальной вычислительной сетью (ЛВС) понимают совместное подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных. Благодаря вычислительным сетям мы получили возможность одновременного использования программ и баз данных несколькими пользователями. Понятие локальная вычислительная сеть (англ. LAN - Local Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связаны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными к этой ЛВС. В производственной практике ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети. Разделение ресурсов. Позволяет экономно использовать ресурсы, 211 например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные принтеры, со всех присоединенных рабочих станций. Разделение данных. Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации. Разделение программных средств. Разделение программных средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств. Разделение ресурсов процессора. При разделении ресурсов процессора возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции. Многопользовательский режим. Многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план. Все ЛВС работают в одном стандарте, принятом для компьютерных сетей - в стандарте Open Systems Interconnection (OSI) - взаимодействия открытых систем. Базовая модель OSI (Open System Interconnection) Для того чтобы взаимодействовать, люди используют общий язык. Если они не могут разговаривать друг с другом непосредственно, они применяют соответствующие вспомогательные средства для передачи сообщений. Показанные выше стадии необходимы, когда сообщение передается от отправителя к получателю. Для того чтобы, привести в движение процесс передачи данных, использовали машины с одинаковым кодированием данных и связанные одна с другой. Для единого представления данных, в линиях связи по которым передается информация, сформирована Международная организация по стандартизации (англ. ISO - International Standards Organization). Международная организация по стандартизации (ISO) разработала базовую (эталонную) модель взаимодействия открытых систем (англ. Open Systems Interconnection (OSI)). Эта модель является международным стандартом для передачи данных. Модель содержит семь отдельных уровней (таблица 5.1): 212 Таблица 5.1 – Модель OSI Уровень 1 Физический Битовые протоколы передачи информации Уровень 2 Канальный Формирование кадров, управление доступом к среде Уровень 3 Сетевой Маршрутизация, управление потоками данных Уровень 4 Транспортный Обеспечение взаимодействия удаленных процессов Уровень 5 Сеансовый Поддержка диалога между удаленными процессами Уровень 6 Представления данных Интерпретация передаваемых данных Уровень 7 Прикладной Пользовательское управление данными Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль, в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные, легко обозримые задачи. Необходимые соглашения для связи одного уровня, например, вышерасположенного и нижерасположенного, называют протоколом. Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычислительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей. С учетом вышеизложенного можно вывести следующую уровневую модель с административными функциями, выполняющимися в пользовательском прикладном уровне. Отдельные уровни базовой модели проходят в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1) и в направлении вверх от приемника данных (от уровня 1 к уровню 7). Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень. На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень. |