Все свое время, здоровье и состояние я принес в жертву желанию завершить создание этих машин для вычислений. Я отклонил также ряд предложений, суливших для меня большие личные выгоды. Однако, несмотря на мой отказ от всех этих выгод с целью совершенствования машины, обладающей почти интеллектуальной мощью, и после того как я истратил из моего собственного состояния больше денег, чем правительство Англии выделило на эту машину (причем только в начале работ), я не получил ни благодарности за мои труды, ни даже тех почестей и наград, которые, как правило, достаются людям, посвятившим себя чисто научным исследованиям...
Если бы работа, на которую я затратил так много времени и душевных сил, была только победой над обычными техническими трудностями или просто курьезом, или если бы были сомнения в целесообразности или полезности подобных машин, то можно было бы в какой-то мере понять и оправдать такое отношение; однако я позволю себе утверждать, что ни один достойный уважения мате тик никогда не рискнет публично выразить мнение, что подобная машина, если она будет сделана, окажется бесполезной,— и что ни один человек, известный как грамотный инженер, не рискнет объявить построение подобных машин нецелесообразным.
Я считаю, что в то время, когда серьезным препятствием на пути прогресса физических наук становятся громадные объемы интеллектуального и ручного труда, необходимого для дальнейшего продвижения, а именно облегчить этот труд и призвана аналитическая машина, применение машин как помощников в выполнении наиболее сложных и трудоемких вычислений нельзя более полагать проблемой, недостойной внимания страны. И действительно, нет никаких причин, не позволяющих экономить труд умственный, подобно физическому, благодаря использованию машин.
Чарльз Бэббидж Отрывок из книги «Жизнь философа»
Элементы, из которых строятся компьютеры, становятся все более малыми, они выходят за границы возможностей обычных микроскопов — в бесконечные пространства мира молекул.
Кристофер Эванс
Программы — это посредники между пользователем и машиной.
Гарлен Д. Миллс
Микропрограммирование — это реализация предположительно разумных систем путем интерпретации на неразумных машинах!
Р. Ф. Розин
Микропрограммирование неэффективного алгоритма не делает его эффективным,
Закон Роше
2.1 Введение
2.2 Аппаратура
2.2.1 Расслоение памяти
2.2.2 Регистр перемещения
2.2.3 Прерывания и опрос состояний
2.2.4 Буферизация
2.2.5 Периферийные устройства
2.2.6 Защита памяти
2.2.7 Таймеры и часы
2.2.8 Работа в режиме он-лайн и автономный режим (оф-лайн), периферийные процессоры
2.2.9 Каналы ввода-вывода
2.2.10 Захват цикла
2.2.11 Относительная адресация
2.2.12 Режим задачи, режим супервизора, привилегированные команды
2.2.13 Виртуальная память
2.2.14 Мультипроцессорная обработка
2.2.15 Прямой доступ к памяти
2.2.16 Конвейеризация
2.2.17 Иерархия памяти
2.3 Программное обеспечение
2.3.1 Программирование на машинном языке
2.3.2 Ассемблеры и макропроцессоры
2.3.3 Компиляторы
2.3.4 Системы управления вводом-выводом (IOCS)
2.3.5 Спулинг
2.3.6 Процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки
2.3.7 Быстрые компиляторы без оптимизации и оптимизирующие компиляторы
2.3.8 Интерпретаторы
2.3.9 Абсолютные и перемещающие загрузчики
2.3.10 Связывающие загрузчики и редакторы связей
2.4 Микропрограммы
2.4.1 Горизонтальный и вертикальный микрокод
2.4.2 Выбор функций для микропрограммной реализации
2.4.3 Эмуляция
2.4.4 Микродиагностика
2.4.5 Специализированные компьютеры
2.4.6 Микропрограммная поддержка
2.4.7 Микропрограммирование и операционные системы
2.4.8 Пример микропрограммирования
2.1 Введение
В данной главе мы кратко рассмотрим, что такое аппаратура, программное обеспечение и микропрограммы. Все они играют важную роль с точки зрения функционирования вычислительных машин и управления ими. Аппаратные средства — это устройства вычислительной машины; ее процессоры, устройства памяти и устройства ввода-вывода, а также средства приема-передачи данных. Программное обеспечение — это программы, содержащие команды на машинном языке и данные, которые соответствующим образом интерпретируются аппаратурой машины. В качестве примеров некоторых распространенных видов программных средств можно привести компиляторы, ассемблеры, загрузчики, редакторы связей, связывающие загрузчики, прикладные программы пользователя, системы управления базами данных, системы приема — передачи данных и операционные системы. Микропрограммы— это микрокодированные программы, выполняемые непосредственно из управляющей памяти очень высокого быстродействия. Наиболее часто используемые объектные программы, занесенные в постоянную память (постоянные запоминающие устройства и программируемые ПЗУ), также иногда называют микропрограммным обеспечением. О микропрограммировании и его важной роли для современных машинных архитектур и операционных систем идет речь в последнем разделе настоящей главы.
2.2 Аппаратура
В нескольких следующих разделах рассматриваются различные виды аппаратных средств, которые имеют важное значение с точки зрения работы операционных систем. Читатель, которому требуются более подробные сведения об аппаратуре, может обратиться к таким книгам-учебникам по архитектуре компьютеров, как (Ва80), (1182) и (Le80).
2.2.1 Расслоение памяти
Метод расслоения памяти (интерливинг) применяется для увеличения скорости доступа к основной (оперативной) памяти. В обычном случае во время обращения к какой-то одной из ячеек модуля основной памяти никакие другие обращения к памяти производиться не могут. При расслоении памяти соседние по адресам ячейки размещаются в различных модулях памяти, так что появляется возможность производить несколько обращений одновременно. Например, при расслоении на два направления ячейки с нечетными адресами оказываются в одном модуле памяти, а с четными — в другом. При простых последовательных обращениях к основной памяти ячейки выбираются поочередно. Таким образом, расслоение памяти позволяет обращаться сразу к нескольким ячейкам, поскольку они относятся к различным модулям памяти.
2.2.2 Регистр перемещения
Регистр перемещения обеспечивает возможность динамического (перемещения программ в памяти. В регистр перемещения заносится базовый адрес программы, хранящейся в основной памяти. Содержимое регистра перемещения прибавляется к каждому указанному в выполняемой программе адресу. Благодаря этому пользователь может писать программу так, как если бы она начиналась с нулевой ячейки памяти. Во время выполнения программы все исполнительные адреса обращений формируются с использованием регистра перемещения — и благодаря этому программа может реально размещаться в памяти совсем не в тех местах, которые она должна была бы занимать согласно адресам, указанным при трансляции.
2.2.3 Прерывания и опрос состояний
Одним из способов, позволяющих некоторому устройству проверить состояние другого, независимо работающего устройства, является опрос; например, первое устройство может периодически проверять, находится ли второе устройство в определенном состоянии, и если нет, то продолжать свою работу. Опрос может быть связан с высокими накладными расходами.
Прерывания дают возможность одному устройству немедленно привлечь внимание другого устройства, с тем чтобы первое могло сообщить об изменении своего состояния. Состояние устройства, работа которого прерывается, должно быть сохранено, только после этого можно производить обработку данного прерывания. После завершения обработки прерывания состояние прерванного устройства восстанавливается, с тем чтобы можно было продолжить работу. Прерывания подробно обсуждаются в гл. 3.
2.2.4 Буферизация
Буфер — это область основной памяти, предназначенная для промежуточного хранения данных при выполнении операций ввода-. вывода. Скорость выполнения операции ввода-вывода зависит от многих факторов, связанных с характеристиками аппаратуры ввода-вывода, однако в обычном случае ввод-вывод производится не синхронно с работой процессора. При вводе, например, данные помещаются в буфер средствами канала ввода-вывода; после занесения данных в буфер процессор получает возможность доступа к этим данным.
При вводе с простой буферизацией канал помещает данные в буфер, процессор обрабатывает эти данные, канал помещает следующие данные и т. д. В то время, когда канал заносит данные, обработка этих данных производиться не может, а во время обработки данных нельзя заносить дополнительные данные. Метод двойной буферизации позволяет совмещать выполнение операции ввода-вывода с обработкой данных; когда канал заносит данные в один буфер, процессор может обрабатывать данные другого буфера. А когда процессор заканчивает обработку данных одного буфера, канал будет заносить новые данные опять в первый буфер. Такое поочередное использование буферов иногда называют буферизацией с переключением («триггерной» буферизацией). Обмен данными между каналами и процессорами будет рассмотрен ниже.
2.2.5 Периферийные устройства
Периферийные (внешние запоминающие) устройства позволяют /хранить громадные объемы информации вне основной памяти компьютера. Лентопротяжные устройства являются в принципе последовательными устройствами, которые предусматривают чтение и запись данных на длинной магнитной ленте. Ленты могут иметь длину до 1100 м при намотке на 30-см кассеты. Информация может фиксироваться на ленте с различными плотностями записи. Для первых лентопротяжных устройств плотность записи составляла восемь символов на миллиметр длины ленты, затем стандартной стала плотность записи 22 симв/мм, затем 32 симв/мм, затем 64 симв/мм, а в настоящее время — 250 симв/мм. Устройства новых поколений безусловно будут иметь еще большие плотности записи.