Курс лекций - конспект от Томилина в ворде (1156246), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Аналогично адресам по физической памяти также структурируются виртуальные адреса. Старшие разряды виртуального адреса являются номером виртуальной страницы, а младшие разряды указывают смещение данных в странице. Смещение данных в виртуальной и физической странице одинаковое. Объем виртуальной памяти задачи может не совпадать с объемом физической памяти машины (как правило, превосходит его) и, соответственно, может не совпадать длина виртуальных и физических адресов. При этом разным является лишь количество разрядов, отводимых под номер страницы.

Замена виртуального адреса на физический адрес в целом происходит аналогично такой замене для виртуальной памяти сегментной организации. Используется создаваемая операционной системой таблица виртуальных страниц, каждая строка которой соответствует одной виртуальной странице и содержит номер физической страницы, содержащей информацию этой виртуальной страницы. В этой же строке таблицы находится признак наличия данной виртуальной страницы в физической памяти. Если необходимая виртуальная страница присутствует в физической памяти, то физический адрес для непосредственного обращения в память образуется заменой номера виртуальной страницы на номер физической страницы из соответствующей строки таблицы соответствия. Если же необходимая виртуальная страница в физической памяти отсутствует, то операционная система перемещает ее (“подкачивает”) из внешней памяти на физическую страницу, номер которой определяется с использованием применяемого алгоритма “замещения” страниц в физической памяти. Могут использоваться разные алгоритмы: “первым пришел – первым вышел”, по давности использования и др.

При этом в замещаемой странице может находиться информация как выполняемой задачи, так и других задач. Если содержимое страницы, выбранной для замены, изменялось с момента переписи в нее информации виртуальной страницы из некоторого места внешней памяти, то обратная перепись измененного содержимого страницы в то же место внешней памяти выполняется до осуществления переписи на выбранную физическую страницу информации требуемой виртуальной страницы из внешней памяти.

Использование для замещения страниц таблицы виртуальных страниц в оперативной памяти приводит (как и для сегментной виртуальной памяти) к 100% накладных расходов. Свойство “локальности” программы также как и для случая сегментной виртуальной памяти позволяет успешно использовать для замены адресов “быструю” таблицу “адресной трансляции” на регистрах. Строки такой таблицы содержат как виртуальный номер страницы, так и соответствующий ему номер физической страницы. Ассоциативный поиск для замены виртуального адреса на физический происходит в таблице адресной трансляции по номеру виртуальной страницы. В случае “промаха” при поиске в таблице адресной трансляции производится перепись необходимой строки в таблицу адресной трансляции из таблицы виртуальных страниц в оперативной памяти.

Несомненным преимуществом страничной виртуальной памяти является обеспечение плотного заполнения физической памяти и эффективной замены информации (страниц) в ней.

При заметном числе страниц, используемых задачей, недоиспользование объема последней страницы (“внутренняя фрагментация”) не является существенным.

Недостатком страничной организации виртуальной памяти является отсутствие имеющейся в сегментной организации виртуальной памяти возможности уникальной защиты объектов программы (программных модулей и модулей данных) в связи с тем, что несколько объектов, требующих разного типа защиты, могут быть помещены в одной странице.

Сегментно-страничная организация виртуальной памяти.

Организация такой памяти преследует цель освободиться от недостатков как сегментной, так и страничной виртуальной памяти (“внешней фрагментации” и отсутствия уникальной защиты объектов программы соответственно).

В сегментно-страничной организации памяти уникально защищаемый виртуальный сегмент разбивается на виртуальные страницы, располагающиеся на любых физических страницах оперативной памяти. Виртуальный сегментно-страничный адрес состоит из трех полей: поля виртуального номера сегмента, поля виртуального номера страницы в этом сегменте, поля смещения в странице. Замена виртуального сегментно-страничного адреса на физический адрес производится так же, как и для сегментного и страничного виртуальных адресов в основном с использованием “быстрой” таблицы адресной трансляции на регистрах. Ассоциативный поиск по этой таблице производится в этом случае по совокупности значений виртуальных номеров сегмента и страницы в нем, находящихся в строках этой таблицы. При совпадении (получающемся в большинстве случаев, благодаря свойству локальности программы) из найденной строки таблицы берется находящийся там физический номер страницы, к которому прибавляется (“присоединяется”) смещение в странице. Полученный физический адрес используется для непосредственного обращения в оперативную память машины.

При “промахе” в поиске по таблице адресной трансляции происходит двухуровневый поиск по таблицам, подготовленным операционной системой в оперативной памяти. Вначале исследуется таблица виртуальных сегментов задачи. Найденная по виртуальному номеру сегмента строка этой таблицы содержит сведения об уникальной защите сегмента, содержащего объект программы, и ссылку на таблицу виртуальных страниц этого сегмента. Найденная по виртуальному номеру страницы строка этой таблицы содержит признак нахождения виртуальной страницы в оперативной памяти и номер физической страницы, в которой находится информация виртуальной страницы.

Указанным выше образом образуется физический адрес для непосредственного обращения в оперативную память и происходит размещение найденной информации в строке “быстрой” таблицы аппаратной трансляции.

При большом количестве виртуальных сегментов, размер которых существенно меньше размеров страницы (для сегмента выделяется целая страница), указанная выше “внутренняя фрагментация” становится заметно отрицательным фактором.

Параллелизм использования внешних устройств ЭВМ

Параллельная обработка информации в вычислительных системах требует в большинстве случаев организации параллельного выполнения многих потоков входных и выходных данных и временного помещения во внешнюю память и считывания из нее промежуточных результатов обработки информации.

Используются два основных способа организации параллельной работы внешних устройств ЭВМ:

• с использованием аппаратуры “селекторных” и “мультиплексных” каналов;

• с использованием аппаратуры “общей шины”.

Селекторные и мультиплексные каналы

Устройства “селекторный канал” и “мультиплексный канал” автоматически осуществляют задаваемые операционной системой (“драйверами” - программами управления работой устройств) обмены данными между оперативной памятью и устройствами, подключенными к этим каналам.

К селекторным каналам через специальную аппаратуру непосредственного управления устройствами (“контроллеры” – control unit) подключаются устройства, обмен данными с которыми производится в режиме монопольного захвата канала. Операционная система выбирает одно из устройств, подключенных к селекторному каналу, и запускает обмен информацией с ним в монопольном режиме использования селекторного канала. Эффективное использование селекторного канала возможно для обмена через него с так называемыми “быстрыми” внешними устройствами. Основными такими устройствами являются устройства внешней памяти на магнитных дисках. К селекторному каналу может быть подключено несколько групп устройств через свое для каждой группы устройство управления работой устройств. К оперативной памяти может быть подключено несколько параллельно работающих селекторных каналов. Осуществлению такой возможности способствует рассмотренное выше “расслоение” оперативной памяти на параллельно работающие блоки.

Управление обменом данными осуществляет устройство “селекторный канал” с использованием подготовленного драйвером операционной системы “управляющего слова” обмена, помещаемого на регистр управляющего слова обмена устройства “селекторный канал”.

Управляющее слово обмена содержит адрес обмениваемых данных по оперативной памяти, постоянно изменяющийся устройством “селекторный канал” в процессе обмена, и, соответственно, постоянно уменьшающуюся в процессе обмена величину количества данных, которые осталось передать (или конечный адрес по оперативной памяти передаваемого массива данных), для контроля окончания обмена. Управляющее слово обмена может быть помещено на регистр управляющего слова в устройстве “селекторный канал” драйвером внешнего устройства непосредственно, или оно может быть взято устройством “селекторный канал” из подготовленной драйвером в оперативной памяти последовательности управляющих слов обмена, содержащих информацию о ряде последовательных обменов с этим внешним устройством (“программа подканала”). Непосредственная работа с внешним устройством (запись/считывание) производится его контроллером по информации, переданной ему драйвером внешнего устройства при подаче команды “пуск обмена”.

По сигналу о готовности конкретного внешнего устройства к выполнению обмена, поступившему из контроллера этого устройства в устройство “селекторный канал” происходит выбор соответствующего номеру внешнего устройства (“подканала”) адресного слова подканала из группы подготовленных драйверами внешних устройств адресных слов подканалов, содержащих “текущие” адреса управляющих слов обмена с внешними устройствами. Выбранное адресное слово подканала передается на регистр адресного слова в устройстве “селекторный канал”. Затем по адресу, размещенному в адресном слове подканала выбирается текущее управляющее слово обмена из программы подканала и помещается на регистр управляющего слова обмена. После этого монопольно происходит описанный выше процесс обмена данными между внешним устройством и оперативной памятью по селекторному каналу. После окончания обмена следующий обмен данными может выполняться с этим же или другим внешним устройством, подключенным к данному селекторному каналу.

Устройство “мультиплексный канал” предназначено для “параллельного” выполнения обменов с подключенными к нему несколькими внешними устройствами. Выполнение таких обменов производится группами (“блоками”) данных, на которые автоматически разбивается массив данных, передаваемый в каждом обмене. Через мультиплексный канал чередуется (“мультиплексируется”) передача блоков данных (возможно, состоящих даже из одного байта – “байт-мультиплексный” режим) по разным “подканалам” (внешним устройствам), подключенным к мультиплексному каналу. Цикл работы устройства “мультиплексный канал” похож на описанный выше цикл работы устройства “селекторный канал”. Разница заключается в том, что по сигналу внешнего устройства о готовности к передаче данных через мультиплексный канал осуществляется передача лишь “текущего” блока данных из всего обмениваемого массива данных, после чего измененное состояние управляющего слова обмена (по адресу оперативной памяти и количеству еще не переданных данных) переписывается из регистра управляющего слова обмена устройства “мультиплексный канал” обратно в программу подканала.

Обмен блоками данных по мультиплексному каналу производится между оперативной памятью и выделенным для внешнего устройства буфером в памяти его контроллера. Прием данных из внешнего устройства в этот буфер или выдача данных из этого буфера во внешнее устройство происходит под управлением контроллера устройства. Рассмотренная организация работы мультиплексного канала позволяет обеспечить фактически параллельную работу нескольких подключенных к нему «медленных» внешних устройств (например, терминалов ввода-вывода информации).

В устройствах «селекторный канал» и «мультиплексный канал» после окончания обмена с внешним устройством изменяется адресное слово подканала, чтобы можно было по находящемуся в нем адресу найти в программе подканала новое управляющее слово обмена с данным внешним устройством.

Многомашинные вычислительные системы

Многомашинные вычислительные системы стали возникать практически сразу после появления первых ЭВМ. Появление новой машины (как правило, более производительной) в какой-либо организации стимулировало объединение машин в основном в целях организации “разделения труда” – менее производительной ЭВМ поручалась организация ввода-вывода данных, а более производительная ЭВМ выполняла основную обработку информации. Более развитым вариантом “разделения труда” в многомашинном комплексе является организация “конвейера ЭВМ”, в котором каждая ЭВМ выполняет свой этап обработки поступающих порций входной информации и передает полученные результаты другой ЭВМ для дальнейшей обработки. Достигаемая при этом высокая производительность существенна для эффективной работы систем обработки информации в реальном времени. ЭВМ объединялись и в целях резервирования (в том числе “горячего” резервирования - для срочного продолжения обработки информации при отказе ЭВМ), а также в целях контроля правильности вычислений - выполнялась одна и та же обработка информации на разных ЭВМ и сравнение (в том числе поэтапное) полученных результатов. Имеющие в настоящее время широкое распространение “локальные” и “глобальные” сети ЭВМ являются логическими подмножествами класса многомашинных комплексов.

Естественным является классификационное разделение класса многомашинных вычислительных систем на системы с “сильной” и “слабой” связью входящих в них ЭВМ. К системам с “сильной” связью относятся системы, в которых передача данных от одной машины к другой происходит со скоростью порядка скорости работы оперативной памяти машины. Это может быть реализовано при использовании быстрых каналов, связывающих оперативные памяти машин (например, рассмотренных выше селекторных каналов), или при использовании общедоступной для всех машин оперативной памяти. В системах с “слабой” связью данные могут передаваться между машинами по медленным каналам (например, телефонным) или через промежуточное помещение во внешнюю память, доступную для машин, входящих в систему (например, на магнитные диски через контроллер, имеющий несколько входов).

Многомашинный вычислительный комплекс с общедоступной памятью

Построение такого комплекса преследовало несколько целей: организацию работы упомянутого выше “конвейера ЭВМ”, использование общих внешних устройств (к внешним устройствам, подключенным к одной ЭВМ, могли иметь доступ задачи, решаемые на других ЭВМ), резервирование.

В систему входили универсальные ЭВМ, отдельные устройства оперативной памяти, специализированные ЭВМ управления работой внешних устройств. Эти основные компоненты соединялись с помощью быстродействующей сети с коммутаторами, содержащими информацию о структуре (“картине”) сети. По такой сети передавались одиночные “сообщения”, содержащие передаваемые данные и адреса их “источников” и “приемников” (ячеек оперативной памяти, регистров процессоров). По адресной информации в сообщениях коммутаторы, имея “картину” сети, передавали их по нужным направлениям сети. Передача групп данных осуществлялась с помощью разбиения их на отдельные передаваемые сообщения.

Характеристики

Список файлов лекций