• записями фиксированного размера – блоками

• записями произвольного размера

Доступ к данным:

• операции чтения и записи (жесткий диск, CDRW).

• только операции чтения (CDROM, DVDROM, …).

Последовательного доступа:

•Магнитная лента

Прямого доступа:

• Магнитные диски

• Магнитный барабан

• Магнито - электронные ВЗУ прямого доступа

3.6.1.1 Устройство последовательного доступа

Магнитная лента

Чтобы добраться до определенной записи, нужно пройти все предыдущие.

3.6.1.2 Устройства прямого доступа

Магнитные диски

Б лок может перемещаться от края к центру. Каждое устройство характеризуется фиксированным числом цилиндров. Дорожки относящиеся к одному цилиндру также пронумерованы. Дорожки образуют концентрические окружности. Все дорожки разделены на сектора. Начала одноименных секторов лежат в одной плоскости. Для задания координат определенного сектора в управляющее устройства необходимо передать:

1. номер цилиндра, где расположен сектор

2. номер дорожки на которой находится сектор

3)номер сектора

Магнитный барабан

Предназначен больших вычислительных комплексов. Представляет из себя большой цилиндр длиной до метра, в диаметре 30 – 40 см. Поверхность покрыта особым веществом, над поверхностью штанга с головками над треками. Скорость доступа достаточно большая. Механическая составляющая только вращение барабана.

Магнито-электронные ВЗУ прямого доступа

3.6.2 Организация потоков данных при обмене с внешними устройствами

Обмен данных осуществляется через центральный процессор.

Например, при чтении и получении данных из внешнего устройства они попадают на специальные регистры процессора и далее в память.

Обмен с использованием прямого доступа к памяти (direct memory access – DMA).

Нет необходимости для организации обмена использовать оперативную память. Но этот объем данных ограничен. Когда данные кончаются процессор выполняет дополнительную работу.

3.6.4 Организация управления внешними устройствами

1. Непосредственное управление внешними устройствами центральным процессором.

2. Синхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств.

3. Асинхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств.

1. Использование контроллера прямого доступа к памяти (DMA) при обмене.

Управление внешними устройствами с использованием процессора или канала ввода/вывода.

Прерывания: организация работы внешних устройств.

Одно из основных достижений прерываний – возможность организации асинхронной работы с внешними устройствами. Вернемся к ее рассмотрению. Пусть в системе имеется прерывание “обращение к системе”. Оно используется для организации доступа к функциям ОС.

Синхронная работа с ВУ

При синхронной организации обмена программа будет приостановлена с момента обращения к ВУ до момента завершения обмена. Дисбаланс между скоростью выполнения машинных команд и скоростью работы ВУ колоссальный. Поэтому задержки при синхронной работе крайне и крайне ощутимы.

Асинхронная работа с ВУ

Последовательность действий следующая

1. Программа инициирует прерывание “обращение к системе”, тем самым передается заказ на выполнение обмена, (параметры заказа могут быть переданы через специальные регистры, стек и т.п.) Происходит обработка прерывания (при этом программа (процесс) находится в ожидании). При обработке прерывания конкретному драйверу устройства передается заказ на выполнение обмена (который поступает в очередь).

2. После завершения обработки прерывания “обращение к системе” программа продолжает свое выполнение до завершения обмена (на самом деле это не всегда так, почему – ответ позднее).

3. Выполнение программы приостанавливается по причине возникнове6ния прерывания – завершение обмена с конкретным устройством. После обработки прерывания выполнение будет продолжено.

Очевидно, что асинхронная схема обработки обращений к ВУ позволяет сглаживать системный дисбаланс в скорости выполнения машинных команд и скоростью доступа к ВУ. Это еще одно из решений объявленной в начале курса проблемы.

Представленная выше схема организации обмена является достаточно упрощенной. Она не затрагивает случаев синхронизации доступа к областям памяти, участвующим в обмене. Проблема состоит в том, что, например, записывая некую область данных на ВЗУ, после обработки заказа на обмен, но до завершения обмена, программа может попытаться обновить содержимое области, что является некорректным. Поэтому в реальных системах для синхронизации работы с областями памяти, находящимися в обмене, используется возможность ее аппаратного закрытия на чтение и/или запись. То есть при попытке обмена с закрытой областью памяти произойдет прерывание. Это позволяет остановить выполнение программы до завершения обмена, если программа попытается выполнить некорректные операции с областью памяти, находящейся в обмене (попытка чтения при незавершенной операции чтения с ВУ или записи при незавершенной операции записи данной области на ВУ).

БИЛЕТ 11 Иерархия памяти

4.4. Иерархия памяти.

1. В центральном процессоре наиболее быстрые и наиболее дорогостоящие – регистры общего назначения и кэш-буфер.

2. Оперативное запоминающее устройство: кэш-устройства (вне центрального процессора – между оперативной памятью и центральным процессором).

3. Внешние устройства – для организации оперативного доступа к данным.

4. Устройства прямого доступа без кэш-буферизации.

5. Устройства для долговременного массового хранения данных.

БИЛЕТ 12 Мультипрограммный режим

Итак, выше мы выяснили, что, несмотря на возможность асинхронной работы с ВУ, имеют место периоды ожидания программой завершения обмена. Если система обрабатывает единственную программу, то в это время ЦП не производит никакой полезной работы, то есть простаивает (на самом деле термин простой достаточно условный, так как при этом работает операционная система).

Решением проблемы простоя ЦП в этом случае является использование ВС в мультипрограммном режиме, в режиме при котором возможна организация переключения выполнения с одной программы на другую

На рисунке изображена подобная мультипрограммная система, обрабатывающая одновременно 4 программы (процесса). t₁ – момент времени в который программа₁ будет остановлена для ожидания завершения обмена (до момента времени t₄). В момент времени t₁ система запускает выполнение программы₂, которая выполняется до момента времени t₂. С t₂ программа₂ также начинает ждать завершения своего обмена и т.д.

Для корректной организации мультипрограммной обработки необходима аппаратная поддержка ЭВМ. Как минимум аппаратура ЭВМ должна поддерживать следующие функции.

1. Аппарат защиты памяти. Аппаратная возможность ассоциирования некоторых областей ОЗУ с одним из выполняющихся процессов/программ. Настройка аппарата защиты памяти происходит аппаратно, то есть назначение программе/процессу области памяти происходит программно (т.е., в общем случае операционная система устанавливает соответствующую информацию в специальных регистрах), а контроль за доступом – автоматически. При этом при попытке другим процессом/программой обратиться к этим областям ОЗУ происходит прерывание “Защита памяти”

2. Наличие специального режима операционной системы (привилегированный режимом или режим супервизора) ЦП. Суть заключается в следующем: все множество машинных команд разбивается на 2 группы. Первая группа – команды, которые могут исполняться всегда (пользовательские команды). Вторая группа – команды, которые могут исполняться только в том случае, если ЦП работает в режиме ОС. Если ЦП работает в режиме пользователя, то попытка выполнения специализированной команды вызовет прерывание – "Запрещенная команда”. Какова необходимость наличия такого режима выполнения команд? Простой пример – управление аппаратом защиты памяти. Для корректного функционирования этого аппарата необходимо обеспечить централизованный доступ к командам настройки аппарата защиты памяти. То есть эта возможность должна быть доступна не всем программам.

3. Необходимо наличие аппарата прерываний. Как минимум в машине должно быть прерывание по таймеру, что позволит избежать “зависания“ всей системы при зацикливании одной из программ.

БИЛЕТ 13

Организация регистровой памяти (регистровые окна, стек)

Регистровые окна. Компьютер поддерживает аппарат виртуальных регистров. Команды программы могут оперировать с регистрами общего назначения.

Одно из решений – регистровые окна. В компьютере есть фиксированный набор физических регистров с номерами 0, …, к-1. В программе доступна нумерация виртуальных регистров 0, …,k-1, где l<к.

Аппарат позволяет привязать регистровые окна к множеству физических регистров. Окна перемещаются дискретно. Окно состоит из трех частей: входные, выходные регистры; локальные (внутренние) регистры. Аппаратура обеспечивает существование фиксированного количества окон. Окна расположены циклическим образом. Этот аппарат позволяет активизировать вложенные программы.

В каждый момент времени программа может использовать множество регистров общего назначения. Каждое регистровое окно состоит из трех частей: двух номеров регистров для приема и передачи информации. Средняя часть – для локализации подпрограммы.

Обращение к подпрограмме: параметры, которые должны быть переданы, размещаются в третьей части окна. Осуществляется смена указателя на текущее окно.