Лекции по "Информатике"

    Все прерывания делятся на две группы: прерывания с номера 00h по номер IFh называются прерываниями базовой системы ввода-вывода (BIOS -Basic Input-Output System); прерывания с номера 20h по номер FFh называются прерываниями DOS. Прерывания DOS имеют более высокий уровень организации, чем прерывания BIOS, они строятся на использовании модулей BIOS в качестве элементов.

    Прерывания  делятся на три типа: аппаратурные, логические и программные. Аппаратурные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора: прерывание № 2 - отказ питания; № 8 - от таймера; № 9 - от клавиатуры; № 12 - от адаптера связи; № 14 - от НГМД; № 15- от устройства печати и др.

    Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении “нештатных” ситуаций: прерывание № 0 - при попытке деления на 0; № 4 - при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства; № 1 - при переводе микропроцессора в пошаговый режим работы; № 3 - при достижении программой одной из контрольных точек. Последние два прерывания используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ (трассировки) и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.

    Запрос  на программное прерывание формируется по команде INTn, где n — номер вызываемого прерывания. Запрос на аппаратное или логическое прерывание вырабатывается в виде специального электрического сигнала.

Работа  триггерной схемы определяется не таблицей истинности, как для комбинационной логической схемы, а таблицей переходов. Таблица переходов показывает изменение состояния триггера при изменении состояния входных сигналов в зависимости от его текущего состояния. 
 
 
 
 
 
 

Тема 6.

      Организация ввода-вывода. 

1. Схема перемещения  информации при вводе-выводе и обработке с двойной буферизацией.

 При обмене данными всегда возникает задача согласования скоростей работы устройств. Решение этой задачи достигается буферизацией данных [10, 17]. В подсистеме ввода-вывода часто используется буферизация в оперативной памяти. Однако буферизация только на основе оперативной памяти часто оказывается недостаточной из-за большой разницы скоростей работы оперативной памяти, и внешнего устройства объема оперативной памяти может просто не хватить. В этих случаях часто используют в качестве буфера дисковый файл, называемый спул-файлом. Типичный пример применения спулинга – вывод данных на принтер (для печатаемых документов объем в несколько Мбайт – не редкость, поэтому временное хранение такого файла в течение десятков минут в оперативной памяти нецелесообразно).

Другим решением проблемы является использование большой  буферной памяти в контроллерах внешних  устройств. Такой подход полезен  в тех случаях, когда помещение  данных на диск слишком замедляет  обмен (или когда данные выводятся на сам диск). Например, в контроллерах графических дисплеев применяется буферная память, соизмеримая по обмену по обмену с оперативной памятью, и это существенно ускоряет вывод графика на экран.

При рассмотрении различных методов буферизации нужно учитывать, что существует, как отмечалось, два типа устройств – блочные и символьные. Первые сохраняют информацию блоками фиксированного размера и передают поблочно (диски, ленты). Вторые выполняют передачу в виде неструктурированных потоков байтов (терминалы, принтеры, манипулятор мыши, сканеры и др.).

Возможные схемы  буферизации ввода-вывода приведены  на рис. 7.3.

 
Рис. 7.3.  Варианты буферизации

Простейший тип  поддержки со стороны ОС – одинарный  буфер. В тот момент, когда пользовательский процесс выполняет запрос ввода-вывода, операционная система назначает  ему буфер в системной части оперативной памяти. Работа одинарного буфера для блочно-ориентированных устройств может быть описана следующим образом. Сначала осуществляется передача входных данных в системный буфер. Когда она завершается, процесс перемещает блок в пользовательское пространство и немедленно производит запрос следующего блока. Такая процедура называется опережающим считыванием, или упреждающим вводом.

Подобный подход по сравнению с отсутствием буферизации  обеспечивает повышение быстродействия, поскольку пользовательский процесс может обрабатывать один блок данных в то время, когда происходит считывание следующего блока.

Пусть Т – время, необходимое для ввода одного блока, а С – для вычислений, выполняющихся между запросами на ввод-вывод. Без буферизации время выполнения, приходящееся на один блок, будет равно Т + С. При использовании одинарной буферизации время будет равно max [С, T] + M, где М – время перемещения данных из системного буфера в пользовательскую память. В большинстве случаев T + C > max [C, T] + M.

Схема одинарного буфера может быть применена и  при поточно-ориентированном вводе-выводе – построчно или побайтно ( в  строчных принтерах, терминалах и др.). Например, при операции вывода пользовательский процесс может разместить в буфере строку и продолжить работу. Улучшить схему одинарной буферизации можно путем использования двух буферов. Теперь процесс выполняет передачу данных в один буфер (или считывает из него), в то время как ОС освобождает (или заполняет) другой. Эта технология известна как двойная буферизация, или сменный буфер.

Время выполнения при блочно-ориентированной передаче можно грубо оценить как max [C, T]. Таким образом, если C   T, то блочно-ориентированное устройство может работать с максимальной скоростью. Если C > T , то двойная буферизация избавляет процесс от необходимости ожидания завершения ввода-вывода.

Двойной буферизации  может оказаться недостаточно, если процесс часто выполняет ввод или вывод. Решить проблему помогает наращивание количества буферов. Если буфер больше двух, схема именуется циклической буферизацией.

Буферизация данных позволяет не только согласовать  скорости работы процессора и внешних  устройств, но и решить другую задачу – сократить количество реальных операций ввода-вывода за счет кэширования данных. Дисковый кэш является непременным атрибутом подсистем ввода-вывода практически всех операционных систем и значительно сокращает время доступа к хранимым данным 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Тема 7.

    Периферийные  устройства.

1. Схема алфавитно-цифрового  дисплея.

   Алфавитно-цифровой дисплей (АЦД) 15ИЭ-00-013 предназначен для ввода-вывода информации в широком диапазоне скоростей с линий связи и блока клавиатуры, а также для хранения, редактирования и отображения информации на экране монитора. Дисплей выполнен в виде настольного прибора с габаритными размерами 460x690x370 мм и массой 35 кг.

   Алфавитно-цифровой дисплей обеспечивает хранение в  запоминающем устройстве (ЗУ) 48 строк  текста по 80 символов в строке с одновременным отображением на экране (размер поля 150x220 мм) 24 строк по 80 символов и одной служебной строки для индикации режимов работы дисплея. Дисплей формирует изображение не менее 192 символов: 160 символов прописных и строчных букв русского и латинского алфавитов, арабских цифр, специальных символов и 32 служебных символа. Дисплей обеспечивает также выполнение двух систем команд, отличающихся реализацией команд редактирования.

   Характер  взаимодействия дисплея с ЭВМ  или другими внешними устройствами определяется выбранным режимом работы. В автономном режиме может осуществляться ввод информации с клавиатуры в ЗУ дисплея и отображение ее на экране, а также редактирование отображаемого изображения. В дуплексном режиме информация подается с блока клавиатуры на линию связи и принимается с линии связи в ЗУ дисплея, т.е. осуществляется связь типа эхо. В полудуплексном режиме информация с блока клавиатуры передается в ЗУ дисплея и на линию связи. Обмен информацией может производиться или по двухпроводной линии связи (токовая петля 20 мА) или по стыку С2. Скорость обмена, задаваемая в командной строке: 9600, 4800, 2400, 1200, 600, 300, 150, 75 бит/с. Командная строка определяет также выбор системы команд, вид маркера, наличие звуковой сигнализации, инициирует время, прошедшее после включения дисплея, и другие режимы его работы. Выбор режимов работы осуществляется с помощью специальных клавиш и установкой соответствующих позиций в командной строке.

   Широкие возможности АЦД 15ИЭ-0-013 позволяют использовать последний в качестве системного терминала в мини- и микро-ЭВМ семейства «Электроника», а также для организации многопользовательского режима работы с ЭВМ в качестве удаленных терминалов (до 30...600 м).

   В основе работы дисплея лежит способ отображения знаков на электронно-лучевой трубке с помощью телевизионной развертки. Отображение знаков происходит на экране формированием светящихся точек, обусловленных скачкообразным увеличением яркости луча в соответствующие моменты времени. Знак отображается в виде матриц точек 7x8 (7 по горизонтали и 8 по вертикали).

 
Дисплей является устройством с микропрограммным управлением (рис. 2.6). Все функции: отображение информации на экране, ввод данных с клавиатуры и с линии, отработка принятых команд – производятся под управлением программы, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Считанная из ПЗУ инструкция поступает в блок микропрограммного управления (МПУ), где расшифровывается и исполняется. Блок МПУ представляет собой 8-разрядный микропроцессор, который, выполняя инструкции, поступающие из ПЗУ, управляет остальными блоками дисплея. В ЗУ емкостью 4 Кбайт блок МПУ загружает адреса, по которым может быть записана или считана информация. Коды символов знаков изображения и команд поступают в блок МПУ и (или) на генератор символов, где они дешифрируются, и в виде последовательности импульсов подаются на видеоусилитель монитора. Интерфейс, ввода-вывода осуществляет прием данных с клавиатуры и с линии, а также передачу данных на линию связи с ЭВМ и в блок МПУ.

   Дисплей подключается к ЭВМ с помощью  устройств последовательного обмена. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Тема 8.

      Архитектурные особенности  организации ЭВМ  различных классов.

1. Что такое  архитектура ЭВМ ?

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины^[1], определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.^[2]

В настоящее  время наибольшее распространение  в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное  описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема  ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным  признакам и их сочетаниям среди  архитектур выделяют:

• По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
• По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
• По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;
• многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.