Файл: 351-400.pdf

3 8 6 Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин

12. Сравните умножители Брауна, Бо-Вули, Пезариса. Чем они схожи и в чем от-

личаются друг от друга?

13. В чем заключается основная идея древовидных умножителей? Каковы особен-

ности их организации?

14. Сформулируйте, в чем состоит сходство и различие дерева Уоллеса, дерева

Дадда и перевернутого ступенчатого дерева.

15. С какой целью и каким образом выполняется конвейеризация матричных

и древовидных умножителей? Приведите (и поясните) конкретные примеры.

16. На конкретном примере объясните, как можно нарастить разрядность аппа-

ратного умножителя. '

17. Сравните организацию целочисленного деления с восстановлением остатка

и без восстановления остатка. Как учитываются при делении знаки операн-

дов?

1.8. Обоснуйте возможность совмещения структур умножителя и делителя. Опи-

шите объединенную структуру.

19. Сформулируйте четыре пути ускорения целочисленного деления. Сравните

между собой их возможную реализацию.

20. Какие из операций с плавающей запятой считаются наиболее сложными? От-

вет обоснуйте на конкретных примерах.

21. В чем состоит специфика умножения с плавающей запятой? Поясните эту спе-

цифику на примере.

22. Разработайте серию примеров для иллюстрации всех особенностей деления

с плавающей запятой.

23. Создайте структуру операционного блока для выполнения как сложения/вы-

читания, так и базового набора логических операций. Обоснуйте каждый эле-

мент этой структуры.

Глава 8

Системы ввода/вывода

Помимо центрального процессора (ЦП) и памяти, третьим ключевым элементом

архитектуры ВМ является

 система ввода/вывода

 (СВВ). Система ввода/вывода

призвана обеспечить обмен информацией между ядром ВМ и разнообразными
внешними устройствами (ВУ). Технические и программные средства СВВ несут
ответственность за физическое и логическое сопряжение

 ядра вычислительной

машины

 и ВУ.

В процессе эволюции вычислительных машин системам ввода/вывода по срав-

нению с прочими элементами архитектуры уделялось несколько меньшее внима-

ние. Косвенным, подтверждением этого можно считать, например, то, что многие
программы контроля производительности (бенчмарки) вообще не учитывают вли-
яние операций ввода/вывода (В/ВЫВ) на эффективность ВМ. Следствием по-
добного отношения стал существенный разрыв в производительности процессора
и памяти, с одной стороны, и скоростью ввода/вывода — с другой.

Технически система ввода/вывода в рамках ВМ реализуется комплексом

 мо-

дулей ввода/вывода

 (МВБ). Модуль ввода/вывода выполняет сопряжение ВУ

с ядром ВМ и различные коммуникационные операции между ними. Две основ-

ные функции МВБ:

-

 обеспечение интерфейса с ЦП и памятью

 ("большой" интерфейсу,

-

 обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устрой-

ствами

 ("малый" интерфейс).

Анализируя архитектуру известных ВМ, можно выделить три основных спосо-

ба подключения СВВ к ядру процессора (рис. 8.1).

В варианте с раздельными шинами памяти и ввода/вывода (см. рис.

 8.1, а)

 об-

мен информацией между ЦП и памятью физически отделен от ввода/вывода, по-

скольку обеспечивается полностью независимыми шинами. Это дает возможность
осуществлять обращение к памяти одновременно с выполнением ввода/вывода.

Кроме того, данный архитектурный вариант ВМ позволяет специализировать каж-

дую из шин, учесть формат пересылаемых данных, особенности синхронизации
обмена и т. п. В частности, шина ввода/вывода, с учетом характеристик реальных

ВУ, может иметь меньшую пропускную способность, что позволяет снизить затра-

ты на ее реализацию. Недостатком решения можно считать большое количество
точек подключения к ЦП.

3 8 8 Глава 8. Системы ввода/вывода

Рис.  8 . 1 . Место системы ввода/вывода в архитектуре вычислительной машины:

 а

 — раздель-

ными шинами памяти и ввода/вывода; б — с совместно используемыми линиями данных

и адреса;

 в

 — подключение на общих правах с процессором и памятью

Второй вариант — с совместно используемыми линиями данных и адреса (см.

рис. 8.1,

 б).

 Память и СВВ имеют общие для них линии адреса и линии данных,

разделяя их во времени. В то же время управление памятью и СВВ, а также синх-

ронизация их взаимодействия с процессором осуществляются независимо по раз-

дельным линиям управления. Это позволяет учесть особенности процедур обра-

щения к памяти и к модулям ввода/вывода и добиться наибольшей эффективности

доступа к ячейкам памяти и внешним устройствам.

Последний тип архитектуры ВМ предполагает подключение СВВ к системной

шине на общих правах с процессором и памятью (см. рис. 8,1,

 в).

 Преимущества и

недостатки такого подхода обсуждались при рассмотрении вопросов организации шин
(глава 4). Потенциально возможен также вариант подключения внешних устройств
к системной шине напрямую, без использования МВВ, но против него можно выдви-
нуть сразу несколько аргументов. Во-первых, в этом случае ЦП пришлось бы осна-
щать универсальными схемами для управления любым ВУ. При большом разнооб-

разии внешних устройств, имеющих к тому же различные принципы действия, такие
схемы оказываются чересчур сложными и избыточными. Во-вторых, пересылка дан-

ных при вводе и выводе происходит значительно медленнее, чем при обмене между

ЦП и памятью, и было бы невыгодно задействовать для обмена информацией с ВУ

высокоскоростную системную шину. И, наконец, в ВУ часто используются иные

форматы данных и длина слова, чем в ВМ, к которым они подключены.

Адресное пространство системы

ввода/вывода

Как и обращение к памяти, операции ввода/вывода также предполагают наличие

некоторой системы адресации, позволяющей выбрать один из модулей СВВ, а также
одно из подключенных к нему внешних устройств. Адрес модуля и ВУ является

Адресное пространство системы ввода/вывода

  3 8 9

составной частью соответствующей команды, в то время как расположение дан-
ных на внешнем устройстве определяется пересылаемой на ВУ информацией.

Адресное пространство ввода/вывода

 может быть совмещено с адресным про-

странством памяти или быть выделенным.

При

 совмещении адресного пространства

 для адресации модулей ввода/выво-

да отводится определенная область адресов (рис. 8.2). Обычно все операции с моду-
лем ввода/вывода осуществляются с использованием входящих в него внутренних

регистров: управления, состояния, данных. Фактически процедура ввода/вывода

сводится к записи информации в одни регистры МВБ и считыванию ее из других

регистров. Это позволяет рассматривать регистры МВБ как ячейки основной па-
мяти и работать с ними с помощью обычных команд обращения к памяти, при этом
в системе команд ВМ вообще могут отсутствовать специальные команды ввода
в вывода. Так, модификацию регистров МВБ можно производить непосредствен-
но с помощью арифметических и логических команд. Адреса регистрам МВВ на-

значаются в области адресного пространства памяти, отведенной под систему вво-
да/вывода.

Рис.

 8.2. Распределение совмещенного адресного пространства

Такой подход представляется вполне оправданным, если учесть, что ввод/вы-

вод обычно составляет малую часть всех операций, выполняемых вычислитель-

ной машиной, чаще всего не более 1% от общего числа команд в программе.

Реализация концепции совмещенного адресного пространства в ВМ с кэш-па-

мятью и виртуальной адресацией сопряжена с определенными проблемами. В част-
ности, усложняется отображение виртуального адреса устройства ввода/вывода на
физическое ВУ. Сложности также возникают и с кэшированием регистров МВВ.

Сформулируем преимущества и недостатки совмещенного адресного простран-

ства.

Достоинства совмещенного адресного пространства:

- расширение набора команд для обращения к внешним устройствам, что позво-

ляет сократить длину программы и повысить быстродействие;

- значительное увеличение количества подключаемых внешних устройств;
- возможность внепроцессорного обмена данными между внешними устройства-

ми, если в системе команд есть команды пересылки между ячейками памяти;

-возможность обмена информацией не только с аккумулятором, но и с любым

регистром центрального процессора.

3 9 0 Глава 8. Системы ввода/вывода

Недостатки совмещенного адресного пространства:

- сокращение области адресного пространства памяти;

- усложнение декодирующих схем адресов в СВВ;

-

 трудности распознавания операций передачи информации при вводе/выводе

среди других операций. Сложности в чтении и отладке программы, в которой

простые команды вызывают выполнение сложных операций ввода/вывода;

- трудности при построении СВВ на простых модулях ввода/вывода: сигналы

управления не смогут координировать сложную процедуру ввода/вывода. По-

этому МВБ часто должны генерировать дополнительные сигналы под управ-
лением программы.

Совмещенное адресное пространство используется в вычислительных маши-

нах MIPS и SPARC.

В случае

 выделенного адресного пространства

 для обращения к модулям вво-

да/вывода применяются специальные команды и отдельная система адресов. Это

позволяет разделить шины для работы с памятью и шины ввода/вывода, что дает
возможность совмещать во времени обмен с памятью и ввод/вывод. Кроме того,

адресное пространство памяти может быть использовано по прямому назначению

в полном объеме. В вычислительных машинах фирмы IBM и микроЭВМ на базе

процессоров фирмы Intel система ввода/вывода, как правило, организуется в со-

Достоинства выделенного адресного пространства:

-

 адрес внешнего устройства в команде ввода/вывода может быть коротким.

В большинстве СВВ количество внешних устройств намного меньше количе-

ства ячеек памяти. Короткий адрес ВУ подразумевает такие же короткие ко-
манды ввода/вывода и простые дешифраторы;

-

 программы становятся более наглядными, так как операции ввода/вывода вы-

полняются с помощью специальных команд;

- разработка СВВ может проводиться отдельно от разработки памяти.

Недостатки выделенного адресного пространства:

-

 ввод/вывод производится только через аккумулятор центрального процессо-

Для передачи информации от ВУ в РОН, если аккумулятор занят, требует-

ся выполнение четырех команд (сохранение содержимого аккумулятора, ввод

из ВУ, пересылка из аккумулятора в РОН, восстановление содержимого акку-
мулятора);

-перед обработкой содержимого ВУ это содержимое нужно переслать в ЦП.

Внешние устройства

Связь ВМ с внешним миром осуществляется с помощью самых разнообразных
внешних устройств. Каждое ВУ подключается к МВБ посредством индивидуаль-
ной шины. Интерфейс, по которому организуется такое взаимодействие МВБ и ВУ,

часто называют

 малым.

 Индивидуальная шина обеспечивает обмен данными и уп-