ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.12.2021
Просмотров: 1076
Скачиваний: 2
Контрольные вопросы 4 1 1
Одной из наиболее совершенных канальных подсистем обладают ВМ семей-
ства IBM 390. В ней предусмотрено использование до 65 536 подканалов и до
256 канальных трактов. Реализованы два типа канальных трактов: параллельный
и последовательный.
Параллельные канальные тракты
по своим возможностям и принципу действия
аналогичны рассмотренным ранее мультиплексному и селекторному каналам, но
в отличие от них являются универсальными, то есть могут работать в байт-муль-
типлексном, блок-мультиплексном и селекторном режимах. Такие канальные трак-
ты в КПВВ называют параллельными, поскольку они обеспечивают пересылку
информации параллельным кодом.
Для работы с ВУ, соединенными с КПВВ волоконно-оптическими линиями,
используются
последовательные канальные тракты,
реализующие протокол
ESCON (Enterprise Systems Connection Architecture). Последовательный каналь-
ный тракт рассчитан на передачу информации только в последовательном коде
и только в селекторном режиме. Для подключения блоков управления внешними
устройствами (БУВУ) к ESCON-тракту служат специальные устройства, называ-
емые ESCON-директорами. Каждое такое устройство может обеспечить одновре-
менное подключение до 60 БУВУ и одновременную передачу информации от 30
из них со скоростью до 10 Мбайт/с.
Кроме того, в КПВВ предусмотрены специальные коммуникационные каналь-
ные тракты для подключения к сетям ВМ, модемам, другим системам.
В принципе основное преимущество КПВВ — динамическое перераспределе-
ние канальных трактов — в какой-то мере может быть реализовано и в рамках каж-
дого отдельного канала. Однако объединение всех канальных ресурсов в единую
канальную подсистему позволяет применить оптимальную стратегию динамичес-
кого распределения и использования этих ресурсов и благодаря этому достичь ка-
чественно нового уровня эффективности системы ввода/вывода.
Контрольные вопросы
1. Поясните достоинства и недостатки трех вариантов подключения системы вво-
да/вывода к процессору ВМ.
2. Сформулируйте достоинства, недостатки и область применения двух способов
организации адресного пространства ввода/вывода
3. Дайте развернутую характеристику структуры ВУ, отображая ее элементы
в каждый из трех типов ВУ.
4. В чем состоит локализация данных, выполняемая модулем ввода/вывода?
5. Опишите содержание процедуры «рукопожатия» при выполнении операции
ввода.
6. Конкретизируйте последовательность действий процессора при обмене инфор-
мацией с жестким диском.
7. Выберите конкретную скорость работы ЦП. Рассчитайте емкость буферной
памяти МВБ для обмена с клавиатурой, символьным принтером и оптическим
диском.
4 1 2 Глава 8. Системы ввода/вывода
8. Проведите маленькое исследование: спрогнозируйте вероятность возникнове-
ния ошибки мыши, лазерного принтера, оптического диска. Ответы обоснуйте.
9. Для конкретного ЦП определите структуры МВБ для мыши, клавиатуры, жест-
кого диска. Необходимость элементов структуры обоснуйте.
10. Сравните известные вам методы управления вводом/выводом по трем пара-
метрам: достоинствам, недостаткам, области применения.
11. Поясните классификацию методов ввода/вывода по прерыванию.
12. Охарактеризуйте известные вам режимы прямого доступа к памяти, сформу-
лируйте их достоинства и недостатки.
13. Опишите процесс вывода пяти слов и ввода семи слов при трех вариантах реа-
лизации ПДП.
14. Сравните ввод/вывод по прерыванию с вводом/выводом при ПДП. Для какого
режима ПДП эти методы наиболее близки и почему?
15. Проведите сравнительный анализ контроллера ПДП и канала ввода/вывода.
В чем их сходство? Чем они отличаются друг от друга?
16. Опишите процесс взаимодействия ЦП и КВВ. Какая при этом используется
управляющая информация?
17. Опишите задачи посредника между КВВ и ВУ.
Глава 9
Основные направления
в архитектуре процессоров
Ранее уже были рассмотрены основные составляющие центрального процессора.
В данном разделе основное внимание уделено вопросам общей архитектуры про-
цессоров как единого устройства и способам повышения их производительности.
Конвейеризация вычислений
Совершенствование элементной базы уже не приводит к кардинальному росту
производительности ВМ. Более перспективными в этом плане представляются
архитектурные приемы, среди которых один из наиболее значимых —
конвейери-
зация.
Для пояснения идеи конвейера сначала обратимся к рис. 9.1, а, где показан от-
дельный функциональный блок ( Ф Б ) . Исходные данные помещаются во входной
регистр Рг
вх
, обрабатываются в функциональном блоке, а результат обработки фик-
сируется в выходном регистре Рг
вых
. Если максимальное время обработки в ФБ
равно
Т
max
,
то новые данные могут быть занесены во входной регистр Рг
вх
не ранее,
чем спустя
Т
max
.
Рис. 9 . 1 . Обработка информации: а — в одиночном блоке; б —в конвейере с регистрами;
в —
в конвейере с буферной памятью
4 1 4
Глава
9. Основные направления в архитектуре процессоров
Теперь распределим функции, выполняемые в функциональном блоке ФБ (см.
рис. 9.1, а), между тремя последовательными независимыми блоками: и
ФБ
3
, причем так, чтобы максимальное время обработки в каждом ФБ
i
было одина-
ковым и равнялось . Между блоками разместим буферные регистры Рг
i
,
(рис. 9.1,
6),
предназначенные для хранения результата обработки в на слу-
чай, если следующий за ним функциональный блок еще не готов использовать этот
результат. В рассмотренной схеме данные на вход конвейера могут подаваться с
интервалом T
max
/3(втрое чаще), и хотя задержка от момента поступления первой
единицы данных в Рг
вх
до момента появления результата ее обработки на выходе
Рг
вых
по-прежнему составляет
Т
max
,
последующие результаты появляются на выхо-
де Рг
вых
уже с интервалом T
max
/3.
На практике редко удается добиться того, чтобы задержки в каждом ФБ, были
одинаковыми. Как следствие, производительность конвейера снижается, посколь-
ку период поступления входных данных определяется максимальным временем
их обработки в каждом функциональном блоке. Для устранения этого недостатка
или, по крайней мере, частичной его компенсации каждый буферный регистр Рг
1
, сле-
дует заменить буферной памятью БП
i
способной хранить множество данных и орга-
низованной по принципу FIFO — "первым вошел — первым вышел" (рис. 9.1, в).
Обработав элемент данных,
ФБ
i
,
заносит результат в БП
i
извлекает из БП
i-1
новый
элемент данных и приступает к очередному циклу обработки, причем эта последо-
вательность осуществляется каждым функциональным блоком независимо от дру-
гих блоков. Обработка в каждом блоке может продолжаться до тех пор, пока не
ликвидируется предыдущая очередь или пока не переполнится следующая оче-
редь. Если емкость буферной памяти достаточно велика, различия во времени об-
работки не сказываются на производительности, тем не менее желательно, чтобы
средняя длительность обработки во всех ФБ, была одинаковой.
В архитектуре вычислительных машин можно найти множество объектов, где
конвейеризация обеспечивает ощутимый прирост производительности ВМ. Ранее
уже рассматривались два таких объекта — операционные устройства и память, од-
нако наиболее ощутимый эффект достигается при конвейеризации этапов машин-
ного цикла.
По способу синхронизации работы ступеней конвейеры могут быть синхрон-
ными и асинхронными. Для традиционных ВМ характерны
синхронные конвейеры.
Связано это, прежде всего, с синхронным характером работы процессоров. Ступе-
ни конвейеров в процессоре обычно располагаются близко друг от друга, благода-
ря чему тракты распространения сигналов синхронизации получаются достаточ-
но короткими и фактор «перекоса» сигналов становится не столь существенным.
Асинхронные конвейеры
оказываются полезными, если связь между ступенями не
столь сильна, а длина сигнальных трактов между разными ступенями сильно роз-
нится. Примером асинхронных конвейеров могут служить систолические масси-
вы (систолическая обработка будет рассмотрена в последующих разделах).
Синхронные линейные конвейеры
Эффективность синхронного конвейера во многом зависит от правильного выбо-
ра длительности тактового периода T
к
. Минимально допустимую T
к
можно опре-
делить как сумму наибольшего из времен обработки на отдельной ступени кон-
Конвейеризация вычислений 4 1 5
вейера T
С М А Х
и времени записи результатов обработки в буферные регистры меж-
ду ступенями конвейераT
БР
:
Из-за вероятного «перекоса» в поступлении тактирующего сигнала в разные
ступени конвейера предыдущую формулу следует дополнить еще одним элемен-
том — максимальной величиной «перекоса»T
пк
:
Каждая ступень может содержать множество логических трактов обработки.
Т
к
определяется наиболее длинными трактами во всех ступенях конвейера. При
разработке конвейера необходимо учитывать, что для двух последовательных эле-
ментов, обрабатываемых одной и той же ступенью, обработка первого элемента
может проходить по тракту максимальной длины, а второго элемента — по мини-
мальному тракту. В итоге результат обработки второго элемента может появиться
на выходе ступени прежде, чем в выходном регистре ступени будет запомнен пре-
дыдущий результат. Чтобы избежать подобной ситуации, сумма должна
быть меньше минимального времени обработки в ступени откуда
Выбор длительности тактового периода для конвейера должен осуществляться
с соблюдением соотношения
Несмотря на очевидные преимущества выбора T
к
равным нижнему пределу,
проектировщики ВМ обычно ориентируются на среднее значение между нижним
и верхним пределами.
Метрики эффективности конвейеров
Чтобы охарактеризовать эффект, достигаемый за счет конвейеризации вычисл-
ний, обычно используют три метрики: ускорение, эффективность и производитель-
ность.
Под
ускорением
понимается отношение времени обработки без конвейера и при
его наличии. Теоретически наилучшее время обработки входного потока из N зна-
чений
Т
NK
на конвейере с
К
ступенями и тактовым периодом
Т
к
можно определить
выражением
Формула отражает тот факт, что до появления на выходе конвейера результата
обработки первого элемента должно пройти
К
тактов, а последующие результаты
будут следовать в каждом такте.
В процессоре без конвейера общее время выполнения составляет Таким
образом, ускорение вычислений S за счет конвейеризации вычислений можно опи-
сать формулой
При ускорение стремится к величине, равной количеству ступеней в кон-
вейере.