Аппаратура, программное обеспечение и микропрограммы

Загрузчик -- это системная программа, которая размещает команды и данные программы в ячейках основной памяти. Абсолютный загрузчик размещает эти элементы именно в те ячейки, адреса которых указаны в программе на машинном языке. Перемещающий загрузчик может загружать программу в различные места основной памяти в зависимости, например, от наличия свободного участка основной памяти в момент загрузки (называемое временем загрузки).

2.3.10 Связывающие загрузчики и редакторы связей

В первых вычислительных машинах программист писал на машинном языке программу, которая содержала все команды, необходимые для решения конкретной задачи. Даже сложные и в определенном смысле опасные процедуры управления вводом-выводом в каждой программе на машинном языке приходилось кодировать вручную.

В настоящее время программы пользователя зачастую содержат лишь незначительную часть команд и данных, необходимых для решения поставленной задачи. В составе системного программного обеспечения поставляются большие библиотеки подпрограмм, так что программист, которому необходимо выполнять определенные стандартные операции, может воспользоваться для этого готовыми подпрограммами. В частности, операции ввода-вывода обычно выполняются подпрограммами, находящимися вне программы пользователя. Поэтому программу на машинном языке, полученную в результате трансляции, приходится, как правило, комбинировать с другими программами на машинном языке, чтобы сформировать необходимый выполняемый модуль. Эту процедуру объединения программ выполняют связывающие загрузчики и редакторы связей до начала выполнения программы.

Связывающий загрузчик во время загрузки объединяет необходимые программы и загружает их непосредственно в основную память. Редактор связей также осуществляет подобное объединение программ, однако он создает загрузочный модуль, который записывается во внешнюю память для будущего использования. Редактор связей играет особенно важную роль для производственных систем; когда программу необходимо выполнять, ее загрузочный модуль, сформированный при помощи редактора связей, может быть загружен немедленно -- без накладных затрат времени (часто весьма больших) на повторное объединение отдельных частей программы.

2.4 Микропрограммы

Принято считать, что автором концепции микропрограммирования является профессор Морис Уилкс. В своей статье в 1951 г. (Wi 51) он предложил принципы, которые легли в основу современных методов микропрограммирования. Однако начало реального внедрения микропрограммирования связано с появлением System/360 в середине 60-х годов. В течение 60-х годов изготовители компьютеров применяли микропрограммирование для реализации наборов команд машинного языка (Ни 70).

В конце 60-х -- начале 70-х годов появилось динамическое микропрограммирование, предусматривающее возможность легкой загрузки новых микропрограммных модулей в управляющую память, служащую для выполнения микропрограмм. Благодаря этому стало возможным динамично и часто менять наборы команд вычислительной машины. И сейчас уже никого не удивит, если в мультипрограммных системах новых поколений будут предусматриваться возможности предоставления различных наборов команд различным пользователям, с тем чтобы в процессе переключения процессора с программы на программу можно было также осуществлять переход с одного набора машинных команд на другой, необходимый следующему пользователю.

Микропрограммирование вводит дополнительный уровень средств программирования, нижележащий по отношению к машинному языку компьютера, и тем самым оно позволяет определять конкретные команды машинного языка. Подобные возможности являются неотъемлемой частью архитектуры современных компьютеров и имеют громадное значение с точки зрения обеспечения высоких скоростных характеристик и защиты операционных систем.

Микропрограммы размещаются в специальной управляющей памяти очень высокого быстродействия. Они состоят из индивидуальных микрокоманд, которые гораздо более элементарны по своей природе и более рассредоточены по функциям, чем обычные команды машинного языка. В компьютерах, где набор команд машинного языка реализуется при помощи микропрограммирования, каждой команде машинного языка соответствует целая и, .быть может, большая микропрограмма,/Тем самым сразу же становится очевидным, что микропрограммирование окажется эффективным только в том случае, если управляющая память будет обладать гораздо большим быстродействием; чем основная.

2.4.1 Горизонтальный и вертикальный микрокод

Команды микрокода можно разделить на горизонтальные и вертикальные. Выполнение вертикальных микрокоманд очень похоже на выполнение обычных команд машинного языка. Типичная вертикальная микрокоманда задает пересылку одного или нескольких элементов данных между регистрами.

Горизонтальный микрокод действует совсем по-другому. Каждая его команда содержит гораздо большее число бит, поскольку может задавать параллельную операцию пересылки данных для многих или даже всех регистров данных устройства управления. Горизонтальные микрокоманды являются более мощными, чем вертикальные, однако может оказаться, что соответствующие микропрограммы гораздо сложнее кодировать и отлаживать.

2.4.2 Выбор функций для микропрограммной реализации

Для разработчика очень важно правильно решить, какие именно функции вычислительной машины реализовать при помощи микрокода. Микрокод предоставляет реальную возможность повысить быстродействие вычислительной машины. Реализуя часто используемые последовательности команд микропрограммно, а не обычным программным способом, разработчики добиваются существенного повышения показателей быстродействия. Читателям, которые будут знакомиться с функциями операционных систем по мере проработки настоящей книги, рекомендуется тщательно анализировать, для реализации каких из этих функций может быть эффективно использован микрокод.

2.4.3 Эмуляция

Эмуляция -- метод, позволяющий сделать одну вычислительную машину функциональным эквивалентом другой. Набор команд машинного языка эмулируемого компьютера микропрограммируется на эмулирующем компьютере -- и благодаря этому программы, представленные на машинном языке первого компьютера, могут непосредственно выполняться на втором. Фирмы-разработчики компьютеров широко применяют эмуляцию при внедрении новых машин, и пользователи, привязанные к старым компьютерам, получают, например, возможность без всяких изменений выполнять свои ранее отлаженные программы на новых машинах. Тем самым процесс перехода с машины на машину становится менее сложным и болезненным.

2.4.4 Микродиагностика

Микропрограммы значительно теснее связаны с аппаратурой, чем программы, написанные на машинном языке. Благодаря этому появляется возможность в гораздо более широких масштабах осуществлять контроль и исправление ошибок, причем выполнять эти операции с большей степенью детализации. В некоторые машины вводятся средства микродиагностики, «переплетающиеся» с командами программ на машинном языке. Это позволяет избежать многих потенциальных проблем и повысить надежность работы машины.

2.4.5 Специализированные компьютеры

Поскольку разработка, производство и организация сбыта вычислительной машины обходится дорого, фирмы-изготовители сосредотачивают свои усилия обычно на выпуске машин общего назначения. Громадные капитальные вложения, без которых невозможно создание новой машины, требуют больших объемов сбыта, поскольку только в этом случае можно будет возместить затраты и получить необходимые прибыли. Поэтому промышленные фирмы обычно стараются не изготавливать специализированных, единственных в своем роде машин; этим занимаются университеты, в которых подобные машины создаются главным образом для выполнения научных исследований.

В связи с этим пользователям компьютеров приходится решать проблему специализации своих машин применительно к собственным конкретным требованиям; такая специализация традиционно осуществляется при помощи соответствующего программного обеспечения. Аппаратура машины представляет собой некую универсальную среду для выполнения системных программ, при помощи которых машина приспосабливается к конкретным требованиям пользователей.

В некоторых машинах подобную специализацию пользователи могут осуществлять при помощи микрокода. При этом они могут либо применить микрокод, поставляемый фирмой-изготовителем, либо написать собственный микрокод; сейчас широко распространены оба этих подхода.

2.4.6 Микропрограммная поддержка

Фирмы-изготовители зачастую по отдельному заказу поставляют факультативные микрокодовые средства, обеспечивающие повышение производительности вычислительных машин. Фирме IBM удалось довольно успешно сделать это для своих компьютеров семейства System/370 в рамках операционной системы VM (см. гл. 22). Как будет показано при описании этой операционной системы в гл. 22, она реализует концепцию многих виртуальных машин благодаря эффективному использованию механизма прерываний. Для этого ряд наиболее часто используемых программ обработки прерываний реализуется микрокодом; такая микропрограммная поддержка позволяет достигнуть существенного повышения скоростных характеристик.

2.4.7 Микропрограммирование и операционные системы

К числу наиболее часто выполняемых последовательностей команд в большинстве вычислительных машин относятся определенные части операционной системы. Например, в системе с диалоговой обработкой транзакций имеется механизм диспетчирования, обеспечивающий выбор очередной единицы работы, которую должен будет выполнять процессор; поскольку подобный механизм диспетчирования может действовать сотни раз в секунду, он должен работать очень эффективно, и одним из способов сделать его более высокоскоростным и эффективным является именно микрокодовая реализация.

К числу функций, чаще всего реализуемых при помощи микрокода, относятся следующие:

· обработка прерываний;

· управление различными типами структур данных;

· примитивы синхронизации, координирующие доступ к общим данным и другим ресурсам;

· операции обработки частей слова, позволяющие эффективно выполнять манипуляции с битами;

· переключения контекста, т. е. быстрые переключения процессора с программы на программу в многоабонентской системе;

· последовательности вызова процедур и возврата.

Реализация функций операционных систем при помощи микрокода позволяет повысить эффективность и скоростные характеристики, снизить затраты на разработку программ и обеспечить более надежную защиту систем (см. гл. 17).

Читателям, желающим более подробно познакомиться с применением микропрограммирования в операционных системах, рекомендуется обратиться к работам (Br77), (Bu81) и (So75).

2.4.8 Пример микропрограммирования

В настоящем разделе рассматривается небольшая гипотетическая микропрограммируемая вычислительная машина. Наша цель заключается в том, чтобы попытаться передать определенные нюансы микропрограммирования и, в частности, показать, каким образом оно может использоваться для реализации набора команд машинного языка компьютера. В основу настоящего раздела положен пример, который представили Роше и Адаме в своей отличной статье для изучающих микропрограммирование (Ra80).

Простой гипотетический небольшой компьютер ITSIAC имеет набор команд машинного языка, показанный на рис. 2.1.

Компьютер ITSIAC имеет накапливающий регистр-аккумулятор АКК, который участвует в выполнении всех арифметических операций. Каждая команда машинного языка содержит два поля

по 8 бит -- код операции (КОП) и адрес памяти А. В состав процессора входит арифметико-логическое устройство (АЛУ) для выполнения некоторых арифметических действий. Регистры компьютера ITSIAC и их функции показаны на рис. 2.2.

Машина ITSIAC работает следующим образом. Прежде всего в управляющую память загружается микропрограмма. Команда машинного языка декодируется, и управление передается соответствующей подпрограмме микропрограммы для ее интерпретации. Каждая команда микропрограммы занимает одну ячейку управляющей памяти. Регистр адреса команды управляющей памяти РАКУП указывает на следующую выполняемую микрокоманду. Эта микрокоманда выбирается из управляющей памяти и помещается в регистр микрокоманд РМК.

Затем содержимое регистра РАКУП увеличивается на 1 (теперь он указывает на следующую выполняемую микрокоманду), и весь процесс повторяется. Микропрограмма принимает из регистра адреса команды основной памяти РАКОП адрес ячейки, где хранится следующая команда машинного языка, подлежащая интерпретации. После интерпретации очередной команды машинного языка микропрограмма меняет содержимое регистра РАКОП -- теперь он указывает на ячейку основной памяти, где хранится следующая выполняемая команда машинного языка.

Декодированные микрокоманды непосредственно соответствуют тем элементарным операциям, которые могут выполняться аппаратными средствами; они гораздо проще, чем команды машинного я зыка

Из перечисленных микроопераций составляются последовательности, которые реализуют команды машинного языка нашей простой машины. Микропрограмма, выполняющая команды машинного языка, показана на рис. 2.4. Выполнение микропрограммы начинается с ячейки 00, с подпрограммы, которая выбирает следующую выполняемую команду машинного языка.

Рассматриваемая машина с микропрограммным управлением работает следующим образом. Вначале регистр РАКУП устанавливается в нуль и тем самым указывает на микрокод подпрограммы, осуществляющей выборку команды машинного языка. Следующая команда машинного языка для выполнения выбирается из ячейки, адрес которой находится в РАКОП. Загрузка этой команды из основной

памяти в регистр РДП осуществляется по команде чтения READ. Команда

РАКУП ( декодированный РДП

устанавливает в РАКУП адрес соответствующей микрокодированной подпрограммы управляющей памяти для интерпретации данной команды машинного языка; при этом просто анализируется код операции и осуществляется как бы табличный поиск с использованием кода операции в качестве ключа поиска. Следующий микрокомандный цикл вызывает передачу управления на микрокод подпрограммы.

Если, например, интерпретируемая машинная команда имеет вид

ADD 50

то нужно содержимое ячейки 50 основной памяти сложить с содержимым аккумулятора. Рассмотрим микрокод, который выполняет эту операцию.

(10) АКК РАКОП + 1

(11) РАКОП АКК

(12) РР РДП

(13) РАП РР

(14) READ

(15) РР РДП

(16) АКК АКК + РР

(17) РАКУП 0

Микрокоманды (10) и (11) обеспечивают установку в РАКОП адреса следующей по порядку ячейки основной памяти. Микрокоманды (12) и (13) выделяют адрес основной памяти команды, находящейся в РДП, и передают его в РАП. (Две микрокоманды с использованием РР для этого необходимы опять-таки потому, что машина не позволяет производить непосредственную передачу содержимого РДП в РАП.) После выполнения микрокоманды (13) в РАП оказывается адрес ячейки 50. Команда чтения READ (14) вызывает загрузку содержимого ячейки, указанной в РАП, в регистр РДП. По команде (15) эти данные заносятся в РР, а по команде (16) -- суммируются с содержимым аккумулятора. Команда (17) устанавливает в РАКУП нулевой адрес подпрограммы выборки микрокоманд, так что следующий микрокомандный цикл начнет процесс выборки следующей команды машинного языка для выполнения.

Заключение

Аппаратура -- это устройства вычислительной машины. Программное обеспечение составляют команды, интерпретируемые аппаратурой, а микропрограммы включают микрокодированные команды, размещаемые в высокоскоростной управляющей памяти.

Расслоение памяти обеспечивает возможность одновременного доступа к последовательным ячейкам основной памяти, поскольку ячейки с соседними адресами размещаются к различных модулях памяти. Механизм прерываний играет важную роль для режимов работы, при которых много операций могут выполняться асинхронно, но в определенных случаях требуют синхронизации. Буферизация с несколькими буферами позволяет эффективно совмещать операции ввода-вывода с вычислениями.

Спулинг (ввод-вывод с буферизацией) позволяет отделить работающую программу от низкоскоростных устройств ввода-вывода, таких, как принтеры и устройства ввода данных с перфокарт. При спулинге ввод-вывод данных для программы осуществляется при посредстве высокоскоростного внешнего запоминающего устройства, например накопителя на магнитных дисках, а фактическое чтение или распечатка данных производится в то время, когда устройства ввода перфокарт и принтеры свободны. Для изоляции пользователей друг от друга в многоабонентских системах необходимо предусматривать защиту памяти; защиту можно реализовывать несколькими различными способами, в том числе при помощи граничных регистров или ключей защиты.

Применение стандартного интерфейса ввода-вывода существенно упрощает подключение к машине новых внешних устройств. Внешние устройства могут работать под непосредственным управлением центрального процессора в режиме он-лайн, или автономно (оф-лайн), под управлением отдельных контроллеров, независимых от процессора. Функционально законченные вычислительные машины, которые выполняют операции ввода данных с перфокарт на магнитную ленту, вывода данных с магнитной ленты на печать и т. д. для более крупных машин, называются процессорами ввода-вывода, или компьютерами-сателлитами.

Канал -- специализированная вычислительная машина для выполнения операций ввода-вывода без участия центрального процессора. Для координации взаимодействия между центральным процессором и каналом применяется, как правило, способ регулярного опроса или механизм прерываний. Наиболее известные типы каналов -- это селекторные, байт-мультиплексные и блок-мультиплексные каналы.

Система управления вводом-выводом (IOCS) -- это пакет программ, назначение которого заключается в том, чтобы освободить пользователя от необходимости детального управления вводом-выводом. Пакеты IOCS являются важной частью современных операционных систем.

Метод относительной адресации дает возможность работать с очень большим адресным пространством без необходимости увеличивать размер машинного слова; во время выполнения программы все адреса формируются путем прибавления смещения к содержимому базового регистра. Благодаря этому упрощается также перемещение программ по памяти.

Наличие в машине нескольких режимов работы обеспечивает защиту программ и данных. В режиме супервизора могут выполняться любые команды (включая привилегированные), а в режиме задачи -- только непривилегированные. Эти режимы определяют

границу между возможностями пользователя и возможностями операционной системы. В некоторых машинах предусматриваются более двух подобных режимов работы.

Системы виртуальной памяти в обычном случае дают возможность программам работать с гораздо более широким диапазоном адресов, чем адресное пространство имеющейся основной памяти. Это позволяет освободить программиста от ограничений, связанных с емкостью основной памяти.

Метод прямого доступа к памяти исключает необходимость прерывать работу центрального процессора при передаче каждого байта блока данных во время выполнения операций ввода-вывода -- в этом случае требуется только один сигнал прерывания, вырабатываемый при завершении передачи всего блока. Каждый символ записывается в основную память и читается из нее с захватом цикла памяти -- здесь каналу предоставляется приоритет, поскольку центральный процессор может и подождать.

В архитектурах компьютеров высокого быстродействия применяются конвейеры, которые позволяют совмещать работу нескольких команд, в каждый конкретный момент времени находящихся на различных стадиях выполнения.

В современных вычислительных машинах реализуется иерархическая структура памяти, включающая кэш-память, основную (первичную, оперативную) память и внешнюю (вторичную, массовую) память; при переходе с уровня на уровень иерархии в указанном порядке емкости памяти увеличиваются, а стоимость в расчете на байт уменьшается.

Программное обеспечение -- это программы, состоящие из команд, которые интерпретируются аппаратными средствами; команды определяют алгоритмы, обеспечивающие решение задач. Программы для компьютера можно писать на машинном языке, языке ассемблера или языках высокого уровня. Программисты редко работают непосредственно на машинных языках -- программы в машинных кодах генерируются при помощи ассемблеров и компиляторов. Макропроцессоры дают возможность программистам, работающим на языке ассемблера, писать макрокоманды, которые порождают много команд на языке ассемблера. Компиляторы обеспечивают трансляцию программ, написанных на языках высокого уровня, на машинный язык. Интерпретаторы непосредственно выполняют исходные программы, не генерируя при этом объектные модули.

Процедурно-ориентированные языки являются универсальными, а проблемно-ориентированные языки специализируются для эффективного решения задач определенных классов. Компиляторы без оптимизации работают быстро, однако генерируют- относительно неэффективные коды; оптимизирующие компиляторы позволяют получать эффективные коды, но работают гораздо медленнее, чем без оптимизации.

Абсолютные загрузчики осуществляют загрузку программ в конкретные ячейки, адреса которых указываются при компиляции; перемещающие загрузчики могут размещать программы в различных свободных участках памяти. Привязка программы к памяти по абсолютным адресам осуществляется во время трансляции, а привязка перемещаемых программ -- во время загрузки или даже во время выполнения.

Связывающие загрузчики объединяют отдельные блоки программы, создавая единый модуль, готовый к выполнению; этот выполняемый модуль размещается в основной памяти. Редакторы связей также осуществляют объединение программ, однако сформированный ими готовый к выполнению модуль записывается во внешнюю память для последующего использования.

Микропрограммирование -- это написание программ, которые управляют элементарными операциями аппаратуры; микропрограммирование играет исключительно важную роль в современных архитектурах компьютеров и операционных системах. Динамическое микропрограммирование предусматривает возможность простой загрузки новых микропрограмм в управляющую память для непосредственного выполнения.

Команды вертикального микрокода очень похожи на команды машинного языка; типичная вертикальная микрокоманда указывает, что необходимо выполнить определенную операцию с определенными данными. Горизонтальный микрокод содержит команды с более широкими возможностями -- они позволяют задавать одновременное выполнение многих операций над многими элементами данных.

Микропрограммирование зачастую применяется при эмуляции, позволяя сделать один компьютер функциональным эквивалентом другого компьютера. Эмуляция особенно необходима и полезна в тех случаях, когда пользователям приходится переводить свои программы с машины на машину.

Микропрограммирование позволяет реализовать микродиагностику, т. е. контроль ошибок с гораздо большей степенью детализации, чем это возможно для команд машинного языка.

Благодаря микропрограммированию можно специализировать компьютер применительно к требованиям конкретных пользователей. Поставщики компьютеров обычно предлагают факультативные средства микропрограммной поддержки, позволяющие повысить скоростные характеристики; реализация часто выполняемых последовательностей команд при помощи микрокода сокращает время их выполнения. Многие функции операционных систем в современных вычислительных машинах реализуются не обычными программами, а микропрограммами, и благодаря этому, как правило, обеспечивается более высокая скорость выполнения и более надежная защита.

Терминология

абсолютный загрузчик (absolute loader)

автономный режим (оф-лайн) (off-line)

адресное пространство (диапазон адресов) (address space)

аппаратура, аппаратные средства (hardware)

ассемблер (assembler)

базовый регистр, регистр базы (base register)

байт-мультиплексный канал (byte-multiplex or channel)

библиотека подпрограмм (subroutine library)

блок-мультиплексный канал (block-multiplexor channel)

быстрый компилятор без оптимизации (quick-and-dirty compiler)

буфер (buffer)

буферизация с переключением («триггерная» буферизация) (flip-flop buffering)

вертикальный микрокод (vertical microcode)

виртуальная память (virtual storage)

внешняя (вторичная, массовая)

память (secondary storage)

время загрузки (load time)

входной, фронтальный процессор (front end processor)

выходная, целевая программа (target program)

горизонтальный микрокод (horizontal microcode)

готовая, заранее ассемблированная IOCS (preassembled IOCS)

граничные регистры (bounds registers)

двойная буферизация (double buffering)

двухадресные команды (two-address instructions)

загрузочный модуль, модуль загрузки (load module)

загрузчик (loader)

захват цикла (памяти) (cycle stealing)

защита памяти (storage protection)

иерархия памяти (storage hierarchy)

интервальный таймер (interval timer)

интерпретатор (interpreter)

интерфейс ввода-вывода (I/O interface)

исходная программа (source program)

канал (channel)

канал прямого доступа к памяти (DMA channel)

ключи защиты памяти (storage protect keys)

компиляторы (compilers)

конвейеризация (pipelining)

контроллер устройств ввода-вывода (I/O device controller)

координированный (упорядоченный) доступ (sequentialization of access)

кэш-память (cache storage)

макрокоманда (macro instruction)

макропроцессор (macro processor)

макрорасширение (macro expansion)

машинно-зависимый (machine-dependent)

машинно-независимый (machine-independent)

машинный язык (machine language)

микродиагностика (microdiagnostics)

микрокод (microcode)

микрокоманда (microinstruction)

микропрограмма (microprogram)

микропрограммирование (microprogramming)

микропрограммная поддержка (microcode assists)

микропрограммное обеспечение (firmware)

мультиплексные каналы (multiplexor channels)

мультипроцессорная обработка (multiprocessing)

объединение программ (program combination)

объектная программа (object program)

одноадресные команды (single-address instructions)

опрос (регулярный, упорядоченный) (polling)

оптимизирующий компилятор (optimizing compiler)

основная (первичная, оперативная) память (primary storage)

относительная адресация, адресация «база + смещение» (base-plus-displacement addressing)

перемещаемая (позиционно-независимая) программа (location-independent program)

перемещающий загрузчик (relocating loader)

плотность записи (recording density)

подканал (subchannel)

последовательное внешнее запоминающее устройство (sequential device)

прерывание по завершению (операции) ввода-вывода (I/O completion interrupt)

прерывания (interrupts)

привилегированные команды (privileged instructions)

привязка (программы к памяти) (binding)

принцип минимума привилегий (при предоставлении доступа к ресурсам и информации) (principle of least privilege)

проблемно-ориентированный (problem-oriented)

программное обеспечение (software)

простая (одиночная) буферизация (single buffering)

процедурно-ориентированный (procedure-oriented)

процессор ввода-вывода (stand-alone processor)

процессор-сателлит (satellite processor)

прямой доступ к памяти (ПДП) (Direct Memory Access, DMA)

расслоение памяти (интерливинг) (storage interleaving)

регистр перемещения (relocation register)

редактор связей (linkage editor)

режим задачи (пользователя) (problem state)

режим выполнения программ (execution states)

режим супервизора (supervisor state)

режим он-лайн (on-line)

связывающий загрузчик (linking loader)

сегментация (segmentation)

селекторный канал (selector channel)

спулинг (ввод-вывод с буферизацией) (spooling)

стандартный интерфейс ввода-вывода (standard I/O interface)

степень (глубина) детализации защиты (granularity of protection)

страничная организация памяти (paging)

система управления вводом-выводом (input-output control system IOCS)

транслятор (translator)

трехадресные команды (three-address instruction)

управляющая память (control storage)

устройство прямого (непосредственного) доступа (direct access device)

часы истинного (реального, календарного) времени (time-of-day clock)

эмулятор (emulator)

эмуляция (emulation)

язык ассемблера, язык ассемблерного типа (assembly language)

DMA

IOCS

Упражнения

2.1 Укажите различия между аппаратурой, программным обеспечением и микропрограммами.

2.2 Объясните, в чем заключается концепция расслоения памяти.

2.3 Что такое двойная буферизация? Подробно опишите, каким образом могла бы работать схема тройной буферизации. При каких условиях могла бы быть целесообразной тройная буферизация?

2.4 Что такое спулинг? Как должна работать система входного спулинга, предназначенная для чтения перфокарт с устройства ввода?

2.5 Объясните, что такое «прямой доступ к памяти» и «захват цикла».

2.6 Опишите несколько способов реализации защиты памяти.

2.7 Опишите два различных способа организации взаимодействия между центральным процессором и каналом.

2.8 Приведите несколько причин, обусловивших появление концепции относительной адресации.

2.9 Сопоставьте принцип минимума привилегий с такими концепциями, как режим задачи, режим супервизора и привилегированные команды.

2.10 Укажите различия между селекторными, байт-мультиплексными и блок-мультиплексными каналами.

2.11 Укажите различия между машинным языком, языком ассемблера и языками высокого уровня.

2.12 Что такое макропроцессор?

2.13 Укажите различия между проблемно-ориентированными и процедурно-ориентированными языками.

2.14 При каких обстоятельствах целесообразно использовать быстрый компилятор без оптимизации? Когда следует применять оптимизирующий компилятор?

2.15 Чем интерпретаторы отличаются от ассемблеров и компиляторов? Когда более целесообразно использовать интерпретатор, чем компилятор?

2.16 Укажите сходства и различия абсолютных загрузчиков и перемещающих загрузчиков.

2.17 Что такое «привязка программы к памяти»? Почему и у пользователя и у системы появляются более гибкие возможности, если привязку программ к памяти выполнять как можно позднее?

2.18 Чем редакторы связей отличаются от связывающих загрузчиков?

2.19 Что такое микропрограммирование? Почему термин «микропрограммное обеспечение» уместен для обозначения микрокода, резидентно размещающегося в управляющей памяти?

2.20 Укажите различия между горизонтальным и вертикальным микрокодом.

2.21 Какие факторы могут повлиять на решение разработчика выбрать те или иные функции для реализации при помощи микрокода?

2.22 Что такое эмуляция? Почему микропрограммирование играет особенно важную роль при построении эмуляторов?

2.23 Объясните, каким образом может быть использовано микропрограммирование для специализации компьютера. Почему это может обеспечить высокую эффективность?

2.24 Объясните, почему понимание особенностей микропрограммирования имеет столь большое значение для разработчиков операционных систем.

Упражнения для примера микропрограммирования (п. 2.4.8)

2.25 Напишите для компьютера ITSIAC программу на машинном языке, которая будет суммировать числа, хранящиеся в ячейках с 50 по 99, и помещать результат в ячейку 100. Проследите выполнение этой программы в режиме интерпретации при помощи микропрограммы компьютера ITSIAC, приведенной в тексте.

2.26 Напишите на языке высокого уровня программу для моделирования работы компьютера ITSIAC. Для моделирования основной памяти используйте матрицу из 256 элементов. Каждое слово памяти имеет длину 16 бит. Различные регистры, в том числе АКК, РАКОП, РАП, РДП, РР, РАКУП и РМК, представьте при помощи переменных. Для реализации каждой микрооперации используйте операторы языка высокого уровня. Например, сложение содержимого рабочего регистра РР и аккумулятора АКК можно осуществить при помощи оператора на языке Паскаль

АКК := АКК + РР

Введите дополнительную команду останова HALT, обеспечивающую распечатку содержимого всех регистров и всех ячеек памяти компьютера ITSIAC, а затем завершающего сообщения «EOJ» (конец задания). На своей модели компьютера ITSIAC выполните программу, которую вы написали в упр. 2.25.

Литература

Страницы: 1, 2