Мультипрограммный режим работы микропроцессора

Многозадачностью (мультипрограммным режимом работы) называют такой способ организации работы системы, при которой в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких процессов обработки информации (задач). В этом режиме должна обеспечиваться взаимная защита программ и данных, относящихся к различным задачам, а также возможность перехода от выполнения одной задачи к другой (переключение задач).

Под задачей (процессом) понимается последовательность взаимосвязанных действий, ведущих к достижению некоторой цели. В вычислительной технике под задачей понимается конкретная сущность, которая тесно связана с архитектурой процессора и обладает своим виртуальным адресным пространством и состоянием. В более простом смысле будем полагать, что задача - это программа, которая выполняется или ожидает выполнения, пока выполняется другая программа.

Процесс может находиться в следующих состояниях:

• порождение - подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре;
• активное состояние (счет) - программа исполняется на процессоре;
• ожидание - программа не исполняется по причине занятости какого-либо ресурса;
• готовность - программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора;
• окончание - нормальное или аварийное завершение программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Применительно к компьютерам в определение задачи обычно включаются ресурсы, необходимые для достижения цели. Понятие "ресурс" строго не определено. Будем считать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом:

объем оперативной памяти, время счета на процессоре, дисковое пространство и т. д.

Основные черты мультипрограммного режима:

• оперативной памяти находятся несколько программ в состояниях активности, ожидания или готовности;
• время работы процессора разделяется между программами, находящимися в памяти в состоянии готовности;
• параллельно с работой процессора происходит подготовка и обмен с несколькими внешними устройствами (ВУ).

Мультипрограммирование предназначено для повышения пропускной способности вычислительной системы путем более равномерной и полной загрузки всего его оборудования, в первую очередь - процессора.

При этом скорость работы самого процессора и номинальная производительность ЭВМ не зависят от использования мультипрограммирования.

Мультипрограммный режим имеет в ЭВМ аппаратную и программную поддержку. Аппаратура, используемая при организации мультипрограммного режима, включает контроллеры ОЗУ и внешних устройств, которые могут работать параллельно с процессором, систему прерывания, аппаратные средства защиты программ и данных и т. д.

Программная составляющая содержит мультизадачную операционную систему, драйверы внешних устройств, обработчики прерываний и другие средства. Операционная система, реализуя мультипрограммный режим, должна распределять (в том числе динамически) между параллельно выполняемыми программами ресурсы системы (время процессора, оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода) с целью увеличения пропускной способности и с учетом ограничений на ресурсы и требований по срочности выполнения отдельных программ.

Эффективность работы мультипрограммной ЭВМ можно оценить количеством задач, выполненных в единицу времени (пропускная способность), и временем выполнения отдельной программы.

Важное значение при анализе работы ЭВМ имеет определение степени использования ее ресурсов. Для этого широко применяются следующие показатели (рис. 6.1):

коэффициент загрузки устройства:

где - время занятости устройства за общее время работы ЭВМ;

средняя длина очереди запросов к устройству :

где - длина очереди к устройству на интервале времени и

Рис. 6.1. Оценка показателей работы мультипрограммной ЭВМ

Для представленного на рис. 6.1 случая:

Помимо средней длины очереди важна также и динамика изменения ее длины.

По значениям , и изменениям во времени значения Lq можно определить наиболее дефицитный ресурс в системе, ее "узкое место".

Устранение этих "узких мест" может проводиться или за счет увеличения производительности соответствующего ресурса, или выбором такой смеси задач, которая обеспечивала бы более равномерное использование всех ресурсов (например, одни задачи более активно используют процессор (счетные задачи), другие - жесткий диск (работа с базами данных), третьи - устройства ввода-вывода (вывод большого объема графической информации)).

Рассмотрим пример выполнения четырех программ в мультипрограммном режиме при коэффициенте мультипрограммирования равном 2.

Коэффициент мультипрограммирования (КМ) - это количество программ, обрабатываемых одновременно в мультипрограммном режиме.

Полагаем, что ЭВМ имеет 3 устройства, которые могут работать параллельно: центральный процессор (CPU), устройство ввода (IN) и устройство вывода (OUT), а программы проходят следующий цикл работы:

счет1 - ввод - счет2 - вывод. Времена выполнения соответствующих блоков программ заданы в табл. 6.1.

Будем считать, что программы имеют относительный приоритет. То есть, во-первых, если на какой-либо ресурс при его освобождении одновременно претендует несколько программ, то он предоставляется программе с наименьшим номером. Во-вторых, программа, занявшая ресурс, не освобождает его до истечения требуемого времени, даже если в этот период на ресурс станет претендовать программа, имеющая больший приоритет.

Таблица 6.1. Характеристики программ
Программа	CPU1	IN	CPU2	OUT

Более приоритетной считаем программу с меньшим номером.

Очередь программ к процессору обозначим Ready, а общую очередь к внешним устройствам - Wait. Полученная диаграмма выполнения программ представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Диаграмма выполнения программ в ЭВМ при Км = 2

Построив аналогичную диаграмму работы ЭВМ для Км = 3, получим результаты, представленные в табл. 6.2 (Км = 1 соответствует однопрограммной работе ЭВМ, и результаты для этого случая могут быть получены расчетными методами).

Анализ показывает, что с увеличением коэффициента мультипрограммирования пропускная способность ЭВМ будет увеличиваться, стремясь к некоторому пределу, определяемому характеристиками ресурсов ЭВМ. В то же время каждая программа будет выполняться в общем случае более длительное время из-за необходимости ожидания освобождения ресурсов, занятых другими программами. При увеличении коэффициента мультипрограммирования изменение значений показателей эффективности зависит от того, в каком состоянии находится система: перегрузки или недогрузки. Если какие-либо ресурсы ЭВМ задействованы достаточно интенсивно, то добавление новой программы, активно использующей эти ресурсы, будет малоэффективным.

Таблица 6.2. Характеристики работы ЭВМ при различных коэффициентах мультипрограммирования
Характеристика	Км = 1	Км = 2	Км = 3
Время выполнения программы Т1
-"- Т2
-"- T3
-"- T4
Время выполнения всех программ
Пропускная способность (П)	0.11	0.17	0.18
kcpu	0.56	0.83	0.91
kin	0.22	0.33	0.36
kout	0.22	0.33	0.36

Микропроцессор для поддержки мультипрограммного режима работы использует определенный набор аппаратных средств.

В компьютере, работающем в мультипрограммном режиме, выделяется область памяти, доступная только операционной системе, в которой хранится вся информация, необходимая для рестарта задачи (контекстная память, или кадр состояния). При переключении контекста компьютер просто переходит от одного раздела к другому. В качестве такого раздела в универсальных микропроцессорах выступает сегмент состояния задачи TSS, который является небольшим сегментом данных с разрешенными операциями считывания и записи, - доступ к нему не разрешается никаким программам, даже на самом высоком уровне привилегий. К сегментам TSS может обращаться только сам процессор.

Для поддержки работы с сегментом состояния задачи служит 16-разрядный регистр задачи TR, в который заносится селектор дескриптора TSS, и связанный с TR программно недоступный 64-разрядный "теневой" регистр, в который загружается дескриптор TSS. Дескрипторы сегментов состояния задач хранятся только в глобальной таблице дескрипторов GDT. Для переключения задач используется шлюз задачи.

Сегмент состояния задачи состоит из двух частей (рис. 6.3). Обязательная часть TSS объемом 104 байта содержит информацию, необходимую для рестарта данной задачи после ее вызова на исполнение, а также некоторую другую информацию. Дополнительная часть может содержатькакуюибо информацию о задаче, используемую операционной системой (имя задачи, комментарии и т. д.), и битовую карту ввода/вывода (БКВВ), определяющую устройства ввода/вывода, к которым разрешено обращение данной задачи при определенных ситуациях.

Рис. 6.3. Структура сегмента состояния задачи

Содержимое ряда полей TSS не изменяется при решении задачи (на рис. 6.3 они помечены звездочкой): селектор LDT данной задачи (то есть регистр LDTR), регистр управления CR3 (базовый адрес каталога таблиц страниц), поля SSi и ESPi, которые определяют начальные адреса стеков при переключении к задачам с более высоким уровнем привилегий, что обеспечивает их более надежную защиту.

При переключении задачи процессор может перейти к другой локальной таблице дескрипторов LDT и перезагрузить базовый регистр каталога страниц CR3. Это позволяет назначить каждой задаче свое отображение логических адресов на физические, что служит дополнительным средством защиты, так как задачи можно изолировать и предотвратить их взаимодействие друг с другом.

Поле селектора возврата обеспечивает связь данной задачи с вызвавшей ее программой. Селектор возврата - это селектор TSS предыдущей задачи, при выполнении которой произошел вызов данной задачи (TR предыдущей задачи, если предполагается возврат к ней).

Бит ловушки T используется при отладке программного обеспечения аналогично биту TF в регистре флагов: если T = 1, то при переключении на данную задачу возникает прерывание.

В TSS отсутствуют поля для хранения регистров управления CR0 и CR2. Это означает, что их содержимое не меняется при переключении задач. Следовательно, страничное преобразование и условия работы с FPU являются глобальными для всех задач. Для каждой задачи может быть свой каталог таблиц страниц, но страничное преобразование может быть разрешено или запрещено только для микропроцессорной системы в целом.

Объем дополнительной части TSS зависит от количества служебной информации ОС, определяемой характером решаемой задачи, и размеров применяемой битовой карты ввода/вывода. Дополнительная часть TSS может вообще отсутствовать.

Относительный адрес БКВВ определяет положение битовой карты в TSS. Каждый бит БКВВ соответствует однобайтовому порту ввода/вывода. Так как микропроцессор может обращаться к 216 портов, полная битовая карта ввода/вывода, определяющая возможность их обслуживания, -

это строка длиной до 64 Кбит. Когда для задачи определена БКВВ, ей предоставляется дополнительная возможность выполнения команд ввода/вывода. Если обычная защита по привилегиям запрещает ввод/вывод (уровень привилегий задачи меньше уровня, установленного в поле IOPL регистра флагов), процессор обращается к БКВВ для дополнительной проверки возможности ввода/вывода на конкретных устройствах. Если соответствующие этим адресам биты карты содержат нули, то операции ввода/вывода разрешаются. В противном случае формируется особый случай нарушения защиты. Таким образом, БКВВ обеспечивает задаче свободный доступ к незащищенным портам ввода/вывода без требования понижения значения в поле IOPL регистра флагов.

За последним байтом БКВВ в TSS должен следовать заключительный байт, состоящий из одних единиц. Адрес этого байта должен соответствовать границе сегмента, определенной дескриптором TSS.

После поле предела должна быть указана длина не менее 104 байт (длина обязательной части TSS). Если указанный размер сегмента меньше 104 байт, то происходит прерывание.

Байт доступа дескриптора TSS имеет следующий вид (рис. 6.4):

Рис. 6.4. Байт доступа дескриптора сегмента состояния задачи

У него есть ряд особенностей по сравнению с дескрипторами обычных сегментов.

Бит занятости B устанавливается в 1 при переключении на данную задачу. Используется для обнаружения попытки вызова задачи, выполнение которой прервано. Переключение задач производится, только если B = 0.

При B = 1 возникает прерывание. Установка B = 1 в дескрипторе TSS производится командами JMP и CALL, переключающими микропроцессор на выполнение данной задачи. При этом другие обращения в мультипрограммной системе к этой задаче будут запрещены.

В байте доступа дескриптора TSS поле DPL не означает уровень привилегий самого сегмента состояния задач, а аналогично функции поля DPL шлюза вызова показывает, какие программы могут обращаться к задаче, которая определяется данным дескриптором TSS.

Значение M = 0 обеспечивает совместимость с микропроцессором i286, в котором впервые появился мультипрограммный режим работы.

Дата добавления: 2015-06-25