Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

201
Таблица 5.5
Классификационный при- знак
Типы интерфейсов
По способу соединения
Магистральный; радиальный; цепочечный; сме- шанный
По способу передачи
Параллельный; последовательный; последова- тельно-параллельный
По принципу обмена
Асинхронный; синхронный
По режиму передачи
Двусторонняя одновременная; двусторонняя по- очередная; односторонняя
При реализации магистрального интерфейса обмен информаци- ей между устройствами осуществляется либо отдельным контролле- ром интерфейса, либо одним из элементов системы, называемым цен- тральным.
В радиальном интерфейсе обязательно один из элементов нахо- дится в центре и обеспечивает распределение информации между другими элементами по индивидуальным для каждого элемента ли- ниям связи.
Цепочечный интерфейс обычно используется там, где форми- руемая устройствами информация должна переходить последова- тельно от устройства к устройству.
Смешанный интерфейс реализует два или более варианта соеди- нения элементов системы.
Способ передачи информации определяет количество одновре- менно передаваемых разрядов двоичного кода. При последовательной передаче информационная шина содержит одну линию, по которой разряд за разрядом передается информация от источника сигнала к приемнику. Интерфейс с возможностью передачи одновременно всех разрядов машинного слова называется параллельным, а если частей слова, то последовательно-параллельным.
Асинхронный интерфейс содержит устройства, обеспечивающие возможность ведения обмена информацией в соответствии с реаль- ным быстродействием устройств передачи и приема информации. В этом случае источник сигнала формирует сигнал запроса разрешения на передачу информации и адрес устройства, являющегося приемни- ком информации. Устройство, идентифицировавшее адрес, определя- ет возможность проведения обмена и формирует соответствующий сигнал разрешения на передачу информации. По получению этого

202 сигнала источник информации выдает код передаваемого сообщения на информационную шину данных и до окончания передачи удержи- вает её. После завершения передачи сообщения источник информа- ции формирует соответствующий сигнал «Передача завершена» и ожидает сигнала «Прием окончен» от приемника информации. По приходу этого сигнала источник информации освобождает шину дан- ных. Время выполнения синхронного обмена соответствует быстро- действию самого медленно работающего элемента системы. При ор- ганизации обмена информацией источник информации выдает адрес и одновременно (или с фиксированной задержкой) данные. Время выдачи адреса и данных также ограниченно и постоянно для всех устройств. Достоинство синхронного способа – простота реализации алгоритма обмена. Недостаток – низкое быстродействие при наличии элементов системы с существенно различным быстродействием.
Для организации обмена информацией в составе интерфейсной магистрали должны быть шины трех видов: шина данных – для передачи информационного сообщения; шина адреса – для передачи адреса приемника и источника ин- формации; шина управления – для передачи сигналов, обеспечивающих протокол обмена.
В системах, не ограниченных жесткими требованиями к быстро- действию, шины адреса и данных могут совмещаться с целью умень- шения аппаратурных затрат. С этой же целью обмен информацией от одного устройства к другому, и наоборот, выполняется по одним и тем же линиям, которые называются в этом случае двунаправленны- ми (двусторонними).
В БВМ типа А-15А обмен между блоками машины и УВВ осу- ществляется в основном параллельными кодами. Поэтому магистра- ли внутриблочные, межблочные выполнены в виде однонаправлен- ных параллельных магистралей. В качестве конструктивных средств межблочных соединений применяется в основном витая пара прово- дов.
Для сопряжения БВМ и УВВ применяются две 16 разрядные магистрали: К1 (для передачи параллельного кода в УВВ) и магист- раль К2 (для приема параллельного кода из УВВ). Указанные магист- рали являются информационными совмещенными шинами адреса и данных. Кроме однонаправленных информационных магистралей

203 имеются две однонаправленные магистрали управления. БВМ А-15А сопрягается с магнитным регистратором по 16 разрядной информа- ционной магистрали К3 и управляющей магистрали.
Таким образом, в интерфейс БВМ А-15А применяются однона- правленные параллельные магистрали, выполненные в виде много- жильных кабелей, состоящих из витых пар проводов. Такие решения обеспечивают высокую пропускную способность магистралей.
5.3.2 Режимы работы БВМ при взаимодействии с внешними уст- ройствами
В зависимости от того, кто является инициатором информаци- онного обмена и как осуществляется передача информации, разли- чают три основных способа информационного обмена БЦВМ и внеш- них устройств: программный обмен; обмен по прерываниям; обмен по каналу прямого доступа.
Инициатором программного обмена является процессор БЦВМ.
Причиной обмена является специальная команда ввода или вывода данных, которую процессор прочитал из памяти. Как в любой другой команде в команде обмена указан адрес источника и приемника ин- формации. Для уменьшения длины формата команды один из адресов может быть подразумеваемым.
Обмен по прерываниям осуществляется по инициативе внешне- го устройства. При готовности к информационному обмену устройст- во формирует запрос на прерывание выполняемой программы. Про- цессор анализирует уровень приоритета запроса прерывания и, в слу- чае более важного приоритета запроса, дает разрешение на прерыва- ние. Текущая программа останавливается, все атрибуты её сохраня- ются в стеке. Загружается программа информационного обмена с устройством, формировавшим запрос. По завершении обмена восста- навливается прерванная программа. Обмен осуществляется обычно небольшими по размеру данными.
Обмен большими объемами данных осуществляется по каналу прямого доступа. Инициатором является внешнее устройство. Оно формирует запрос шины данных и, получив разрешение от процессо- ра, напрямую записывает или считывает данные в оперативную па- мять.

204
Система прерываний обеспечивает не только организацию об- мена информацией БВМ и внешних устройств, когда длина переда- ваемых сообщений требует прерывания выполняемой программы, но и реализует своевременную реакцию процессора на возникновение различных ситуаций, как в процессоре, так и во внешней среде. Важ- ность системы прерывания определяет необходимость рассмотрения принципов её построения и функционирования более детально.
5.3.3 Особенности организации информационного обмена по прерываниям
Во время выполнения бортовой ЦВМ текущей программы внутри машины и в связанной с ней внешней среде (например, в бор- товом РЭО, управляемом вычислительной машиной) могут возникать события, требующие немедленных реакций на них со стороны маши- ны. Эти реакции состоят в том, что при возникновении подобных со- бытий машина должна прервать обработку текущей программы и пе- рейти к выполнению некоторой другой программы, специально пред- назначенной для ситуации, связанной с появлением данного события.
По завершению этой программы машина должна вернуться к выпол- нению прерванной программы.
Рассматриваемый процесс, называемый прерыванием про- грамм, может быть проиллюстрирован рисунком 5.18.
Принципиально важным является то, что моменты возникнове- ния событий, требующих прерывания программ, не известны и по- этому не могут быть заранее учтены при программировании.
Каждое событие, требующее прерывания, должно сопровож- даться сигналом, оповещающим БЦВМ о его возникновении. Этот сигнал называется запросом прерывания. Программы, затребованные запросами прерывания, называются прерывающими программами в отличие от прерываемых программ, выполнявшихся машиной до по- явления запросов.

205
Рисунок 5.18 - Прерывание программ
Как показано на рисунке 5.18, запросы на прерывание могут возникнуть внутри самой БВМ и в ее внешней среде. К первым отно- сятся, например, запросы при возникновении в БВМ таких событий, как появление сбоев в ее аппаратуре, переполнение разрядной сетки, попытка деления на ноль, нарушение правил адресации, завершение операции ввода-вывода и др. Хотя некоторые операции порождаются самой программой, моменты их появления, как правило, невозможно предусмотреть.
Запросы прерывания во внешней среде могут возникать от дру- гих ЦВМ, от наземных систем автоматизированного управления, от радиолокационных, оптических и других систем слежения за целью, а также от различных аварийных датчиков.
При прерывании программы БВМ должна временно прекращать выполнение текущей программы и переходить к обработке програм- мы, соответствующей запросу прерывания, а по ее завершении воз- вращаться к выполнению прерванной программы. Для реализации перечисленных действий в составе устройства управления бортовой
ЦВМ есть специальные аппаратные и программные средства, назы- ваемые системой прерывания. В случаях наличия нескольких источ- ников прерывания, вырабатывающих свои запросы независимо, дол- жен быть установлен определенный порядок обслуживания запросов.

206
Существуют системы прерывания с последовательным просмот- ром (сканированием) наличия запросов у источников прерывания и с обслуживанием запросов в порядке присвоенного им приоритета. По- следние системы прерывания называются приоритетными.
Системы прерывания выполняют следующие функции: запоминание состояния прерываемой программы; приоритетный выбор запроса для исполнения из группы посту- пивших запросов прерывания и организацию перехода к прерываю- щей программе; восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней; программное изменение приоритетов запросов.
Если управление запоминанием состояния и возвратом возложе- но на саму управляющую программу, то она будет состоять из трех частей: подготовительной и заключительной, обеспечивающих пере- ключение программ, и собственно прерывающей программы, выпол- няющей затребованную запросом работу. На рисунке 5.19 приведена упрощенная временная диаграмма процесса прерывания.
Для оценки эффективности систем прерывания могут быть ис- пользованы следующие характеристики: время реакции, глубина пре- рывания (количество уровней прерывания), насыщение системы пре- рывания (наличие очереди), допустимые моменты прерывания про- грамм.
Время реакции – это время между появлением запроса прерыва- ния и началом выполнения прерывающей программы. На рисунке
5.19 это время обозначено
P
t . Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько про- грамм со старшим приоритетом ждет обслуживания. Поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом.
Сумма времени, затрачиваемого на запоминание состояния пре- рванной программы, и времени на возврат к ней называется временем обслуживания:
об
З
В
t
t
t
= +

207
Рисунок 5.19 - Упрощенная временная диаграмма процесса прерыва- ния:t
р
– время реакции; t
з
– время запоминания состояния прерванной программы; t
n
– время выполнения прерывающей программы;
t
в
– время восстановления состояния прерванной программы
Глубина (количество уровней) прерывания – максимальное чис- ло программ, которые могут прерывать друг друга. Если после пере- хода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием дру- гих запросов запрещается, то говорят, что система имеет один уро- вень прерывания. Глубина равна п, если допускается последователь- ное прерывание до п программ. На рисунке 5.20 показано прерывание в многоуровневых системах прерывания (предполагается, что при- оритет каждого следующего запроса выше предыдущего). Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быст- рую реакцию на срочные запросы.
К одному уровню прерывания обычно относят не один, а не- сколько запросов, близких по степени важности событий. Исполнение программ одного уровня (класса) прерываний осуществляется как в одноуровневой СП, т.е. по очереди.
Насыщение системы прерывания возникает, если время реакции настолько велико, что текущий запрос окажется необслуженным к моменту прихода нового запроса от этого же источника. В этом слу- чае один запрос прерывания от данного источника будет системой утрачен, что является недопустимым. Быстродействие БВМ, логиче- ские возможности системы прерывания и количество источников прерывания должны быть согласованы таким образом, чтобы насы- щение было невозможным.

208
Рисунок 5.20 Прерывание в системах с различной глубиной пре- рывания
Допустимые моменты прерывания программ. Большей частью прерывание допускается после окончания любой текущей команды. В этом случае необходимо запоминание состояния программы, т.е. со- держимого всех программно доступных регистров, так как они могут быть изменены прерывающей программой.
Время реакции определяется в основном длительностью выпол- нения одной команды. Это время реакции может оказаться недопус- тимо большим для БЦВМ т.к. они работают в реальном масштабе времени. Поэтому иногда допускается прерывание после любого так- та выполнения команды. Однако в этом случае возрастает количество информации, подлежащей запоминанию и восстановлению при пере- ключении программ. Помимо состояния прерванной программы, не- обходимо сохранить также и состояние процессора в момент преры- вания (содержимое счетчика команд, счетчика тактов, регистра ко- манд и т.д.). Поэтому такая организация прерывания возможна лишь в машинах со сверхоперативной памятью.
Приоритетное обслуживание программ. Понятие приоритета в прерывании программ имеет два значения: приоритет между запро- сами прерывания и приоритет между прерывающими программами.

209
Первый устанавливает лишь очередность восприятия запросов, по- ступивших одновременно от различных уровней, а второй, более важный – старшинство (степень срочности) в выполнении преры- вающих программ разных уровней. Иначе говоря, во втором случае определяется, имеет ли право данная прерывающая программа пре- рвать обрабатываемую в данный момент программу.
Приоритет между k запросами (уровнями) прерывания (больший приоритет имеют уровни с меньшими номерами) можно реализовать аппаратурно, например, посредством схемы последовательного поис- ка, или программно. Относительная степень важности программ, их длина и частота повторения в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых приоритетных отношений. По- этому если приоритет между запросами может быть установлен жест- ко, то приоритет между прерывающими программами не может быть зафиксирован раз и навсегда. Необходимо иметь возможность изме- нять по мере надобности приоритетные соотношения программным путем, иначе говоря, приоритет между прерывающими программами должен быть программно-управляемым. В современных БЦВМ наи- большее распространение получило программное управление при- оритетом на основе маски прерывания.
Маска прерывания представляет собой двоичный код, размеры которого поставлены в соответствие уровням или источникам (при- чинам) прерывания. Маска устанавливается специальной командой в регистре масок. Состояние 1 в данном разряде регистра масок разре- шает, а состояние 0 запрещает («маскирует») прерывание текущей программы от запросов соответствующего уровня прерывания. Поря- док расположения разрядов в регистре масок и нумерация уровней не имеет значения. Таким образом, изменяя программным способом со- держимое регистра масок, можно устанавливать произвольные при- оритетные соотношения между уровнями с любыми номерами без пе- рекоммутации проводов запросов прерывания.
С замаскированным запросом поступают в зависимости от при- чины прерывания, либо игнорируя его, либо запоминая. Например, если прерывание вызвано окончанием операции в периферийном уст- ройстве, то его следует запомнить, чтобы сообщить БВМ об освобож- дении периферийного устройства. Если замаскированное прерывание вызвано переполнением разрядной сетки при арифметической опера- ции, например, в случае получения контрольной суммы всех ячеек