Архітектура ЕОМ БЕСМ-6

Архитектура ЕОМ БЭСМ-6

Из книжки Л. Н. Королева «Структури ЕОМ та його математичне забезпечення» .

Мы виділили опис машини БЭСМ-6 в окремий розділ через ту причину, що ця машина посідає особливе місце у розвитку вітчизняної обчислювальної техніки. Принципи, закладені у основу її структурної організації, не втратили значення досі. Машини БЭСМ-6 і обчислювальні комплекси, створені з їхньої основі, досі інтенсивно використовують у науково-дослідних інститутах, центрах обробки інформації, вирішальних найважливіші для народного господарства, науку й оборони завдання. Протягом часу більш 10-річного використання цієї машини накопичено величезне за складом, надзвичайно важлива за значимістю математичне забезпечення, яке сконцентрувало у собі досягнення радянських у сфері обчислювальної математики, програмування, вирішення завдань проектування найскладніших об'єктів, у сфері вирішення завдань, що з освоєнням космічного пространства.

Разработка машини БЭСМ-6, головний конструктор якої академік С. А. Лебедев і заступник. головного конструктора У. А. Мельников, була завершено наприкінці 1966 р. Машина вступив у лад у 1967 р.

БЭСМ-6 має низку цікавих особливостей по організації віртуальної (математичної) пам’яті, по ухваленого її структурі принципу «водогону», з організації захисту пам’яті, переривань, по організації зв’язки Польщі з зовнішніми пристроями і каналами.

Машина БЭСМ-6 — швидкодіюча машина, виконує близько 1 млн. одноадресных операцій на секунду. Її виконано на напівпровідниках, на елементної базі, допускає високу частоту переключень (основна тактова частота — 10 МГц). За своїми структурним характеристикам і архітектурі машина БЭСМ-6 може бути віднесена до машин 3-го покоління, хоча він і виконано не так на інтегральних схемах, але в «навісних» деталях, т. е. на технологічної основі машин другого покоління.

Основная мета, яку переслідували автори проекту машини БЭСМ-6, була така: створити быстродействующую серійну машину, порівняно дешеву, що б найважливішим сучасним вимогам з погляду автоматизації програмування та розвитку операційними системами, оснащену наявні тоді у вітчизняному серійне виробництво зовнішніми запоминающими пристроями і пристроями вводу-виводу. Машина призначалася від використання у крупних обчислювальних центрах на вирішення своїх наукових та економічних завдань, потрібне велике обсягу вычислений.

Как показало час, ця мета було досягнуто. Машина БЭСМ-6 виробляється серійно, і коло замовників цієї машини продовжує зростати. Сферами застосування сили виявилися науково-дослідні інститути, університети, великі конструкторські бюро.

Основные технічні характеристики машини БЭСМ-6 такі:

Быстродействие — близько 1 млн. операций/сек.;

объем ОЗУ — від 32 до 128 тисяч машинних слів;

время виконання складання з плаваючою коми — 1,1 мксек;

время множення — 1,9 мксек;

время розподілу — 4,9 мксек;

время виконання логічних поразрядных операцій — 0,5 мксек.

Работа арифметичного устрою сполучена з вибіркою операндов з пам’яті.

Разрядность машинного слова — 48 двійкових розрядів.

Объем проміжної пам’яті на магнітних барабанах — 512 тисяч слів.

К центральному процесору може бути підключені 32 лентопротяжных механізму, кожен ємністю до 1 млн. слів. До складу вводных-выводных пристроїв входять два алфавітно-цифрових друкувальних устрою (400 рядків хвилину), два устрою виведення перфокарти (ПИ-80), чотири устрою виведення перфоленту, чотири устрою введення з перфоленты, два устрою введення з перфокарт (ВУ-700 чи УВвК-601), 24 телетайпа.

К БЭСМ-6 можливо підключення дисків і графопостроителей, однак у комплектацію машин, вчинили з заводу-виготовлювача до 1970 р., ця важлива устаткування не входило. У комплектацію серійних машин БЭСМ-6 диски було включено лише 1972 р.

Структурные особливості машини БЭСМ-6

Для здобуття права досягти необхідного балансу між високої швидкістю виконання арифметичних і логічних дій у центральному процесорі і обмеженим швидкодією блоків оперативного ферритового запоминающего устрою (час циклу роботи кожного блоку — 2 мксек), були вжито такі заходи у структурної організації. Оперативне запам’ятовуючий пристрій складається з восьми блоків, припускають одночасну вибірку інформації (командних слів і операндов), що різко підвищує ефективне швидкодія системи пам’яті. Поспіль що йдуть фізичні адреси пам’яті ставляться до найрізноманітніших блокам, і якщо виявилося, наприклад, отже послідовно обирані операнды мають послідовно зростаючі (убутні) адреси, то можуть вибиратися з середньої швидкістю, рівної 2 мксек/8=0,25 мксек.

В реальних програмах, звісно, які завжди виробляється послідовна вибірка операндов, і насправді ефективне швидкодія пам’яті не сягає зазначених кордонів. У припущенні, що запити на восьму блокам пам’яті йдуть у хаотичному порядку (равновероятное розподіл номерів запитів), ефективне швидкодія оцінюється формулой.

,.

где Т — час циклу одного блоку пам’яті і n — число паралельно працюючих блоків.

Приведенные вище формули показують значення методу «запараллеливания» блоків пам’яті щоб одержати виграшу в ефективному быстродействии.

В реальних програмах закони вибірки адрес дуже складні, і їх важко підібрати відповідного закону розподілу. Тому при конструюванні БЭСМ-6 було пророблено велику роботу з моделювання структури машини та аналізу тимчасових параметрів роботи її пристроїв на потоках інформації, генерируемых реальними програмами, і зокрема, на моделі вважалися реальні затримки при зверненні до различному кількості паралельно працюючих блоків пам’яті.

Второй структурної особливістю організації звернень до запоминающему влаштуванню є метод буфферизации, чи метод накопичення черги замовлень до системи пам’яті. У машині БЭСМ-6 є групи регістрів, у яких зберігаються запити (адреси), звані буферами адрес слів і команд. Зрозуміло, що це буфера можуть працювати ефективна лише в тому випадку, якщо структура машини дозволяє переглядати команди «вперед», т. е. заздалегідь готувати запити. Пристрій управління БЭСМ-6 дозволяє це робити. Буфера адрес дозволяє остаточному підсумку згладити нерівномірність надходження запитів до пам’яті і тим самим збільшити ефективність її використання.

Третьей структурної особливістю БЭСМ-6 є метод використання сверхоперативной, неадресуемой з програми пам’яті невеликого обсягу, мета которого? автоматическая економія інтерпретацій основному оперативному запоминающему влаштуванню. Ця сверхоперативная пам’ять управляється в такий спосіб, що часто використовувані операнды й невеличкі внутрішні командні цикли виявляються на швидких регістрах і готові до негайному використанню у арифметическом устрої чи системи управління машиною. Швидкі регістри в деяких випадках дозволяють заощаджувати до 60% всіх інтерпретацій пам’яті і зменшують тим самим тимчасові видатки очікування чисел і команд з основний пам’яті.

Следует вкотре підкреслити, про використанні швидких регістрів піклується апаратура самої машини та під час складання програм економію інтерпретацій пам’яті думати не потрібно.

Эти структурні особливості БЭСМ-6 дістали назву водогінного принципу побудови структури машини. У насправді, якщо підрахувати період від початку виконання команди до його закінчення, то тут для кожної команди він буде дуже велике, проте глибокий паралелізм виконання, перегляд вперед, наявність буфера адрес, швидких регістрів призводять до того, що «потік» команд і темп обробки інформації дуже високий. Аналогія з водогоном у тому, що й простежити час, протягом якого частка води відбувається за деякому ділянці водогону, воно великим, хоча швидкість не вдома потоку може дуже велика. Четвертої структурної особливістю БЭСМ-6, яка має дуже важливого значення для побудови операційними системами і роботи машини в мультипрограммном режимі, є ухвалений апаратний спосіб перетворення математичних, чи віртуальних адрес в фізичні адреси машини. У машині БЭСМ-6 чітко витримана розподіл на фізичну й математичну пам’ять, прийнята посторінкова організація, проте спосіб відображення, закладений апаратуру, істотно відрізняється від цього, який застосували в машині Атлас. Блок-схема процесора БЭСМ-6 представлена на рис. 1.

.

рис. 1.

Система команд БЭСМ-6 допускає индексную і непряму адресацію. Зазвичай, дійсний (виконавчий) адресу виходить шляхом поповнення вмісту однієї з індексних регістрів до коду адреси, записаному у команді. Отриманий після таких маніпуляцій адресу називається виконавчим математичним адресою не є ще адресою конкретної фізичної осередки пам’яті, до котрої я має вироблятися звернення з цьому адресою.

Как виходить дійсний фізичний адрес?

Математический 15-разрядный адресу БЭСМ-6 ділиться на частини Старші 5 розрядів визначають номер математичної сторінки, а молодші 10 розрядів — номер слова у цій сторінці. У структурі машини передбачена невеличка за обсягом, дуже швидка пам’ять, що зберігає таблицю відповідності математичних сторінок (чи аркушів) фізичним сторінкам, і пятиразрядный номер математичної сторінки апаратно підміняється відповідним номером фізичної сторінки. Інакше кажучи, номер математичної сторінки можна як адресу рядки у таблиці відповідностей, яким вибирається необхідна фізична сторінка реально існуючої пам’яті машини. Отже, повний фізичний адресу слова в пам’яті формується з раз рядів номери фізичної сторінки, вибраних з таблиці, і розрядів номери слова в сторінці, які зі математичного адреси.

Отметим вкотре, що підміна номерів сторінок виробляється дуже й робиться повністю автоматично. Цей апарат підміни номерів сторінок дозволяє зрештою будь-який математичної сторінці приписувати фізичний номер, отже, дає можливість довільним чином розподіляти реальну фізичну пам’ять між математичними сторінками шляхом зміни змісту реєстрової пам’яті таблиці відповідності, чи «приписки» таблицы.

Это відкриває широкі змогу динамічного і розподілу і перерозподілу ресурсів фізичної пам’яті між завданнями, що йдуть в мультипрограммном режимі.

Аппарат захисту пам’яті, має також дуже важливе значення для машин, що працюють у мультипрограммном режимі, в БЭСМ-6 також тісно пов’язані з посторінкової організацією пам’яті. Кожна математична сторінка може у стані чи закритому, чи відкритому для читання і запис чисел і команд. Апаратно кожній сторінці ставлять у відповідність тригер, який би неї (відкрита чи закрита за записом і читання чисел); ознакою захисту сторінки з поводження за командами є код із усіх нулів в рядку таблиці відповідностей. Тим самим у БЭСМ-6 захист по числам і з командам розділена. Це корисно в організацію програм, обслуговуючих кілька незалежних завдань.

Кроме апарату захисту пам’яті в БЭСМ-6 існує апарат захисту привілейованих команд. Ряд команд, з допомогою яких можна змінювати вміст управляючих регістрів, безпосередньо впливати на зовнішні пристрої і зовнішні канали, пов’язані з машиною, можуть виконуватися лише у «супервизорном» режимі, т. е. як, у якому працює операційна система. Спроба виконати привілейовану команду у звичайній програмі призводить до перериванню і припинення виконання програмних засобів. Супервизорный й утворився звичайний режими роботи машини цим аппаратурно різняться, в супервизорном режимі припустимо виконання всього репертуару команд машини, в звичайному математичному режимі частина команд може бути виконано.

Защита пам’яті і привілейованих команд дозволяє так організувати одночасне рішення кількох завдань машиною, щоб надалі повністю виключити всяке вплив одних завдань інші. Зазвичай, майже переважають у всіх програмах, вперше пропускаемых машиною, містяться помилки, часом самі непередбачені, і дуже важливо, щоб них не призвели до у себе відмова всієї системи у цілому або псування сусідніх програм, тож завдань. Система переривань БЭСМ-6 побудована так. У апаратурі машини передбачено так званий головний регістр переривань (ГРП) реєстр маски (РМ).

За кожним розрядом ГРП закріплена функція сигналізації появи сигналу переривань від конкретних зовнішніх пристроїв, чи від цілком певних ситуацій, сформованих у центральному устрої машини. Відповідно головний 48-разрядный регістр переривань розділений на дві половини. У першій його половині розташовані сигнали переривань, які від зовнішніх пристроїв, які сигналізують про закінчення обмінів, появу інформації на вхідних регістрах, що надходить із зовнішніх пристроїв тощо. У другій половині розташовані розряди, які сигналізують про особливих ситуаціях, що виникли всередині машини, приміром, про переполнениях на арифметическом устрої, про спробу розподілу на нуль, про спроби звернення до закритою сторінці за числами чи командами, про виникнення контролю при передачах слів й посилення командної інформації між пам’яттю і арифметичним пристроєм. Внутрішні переривання мають більш старший пріоритет проти перериваннями від зовнішніх пристроїв.

Регистр маски, зміст якого не може змінюватися певними привілейованими командами, служить у тому, аби дозволити операційній системі на певний час блокувати спрацьовування схеми переривання від зовнішніх пристроїв, які потребують миттєвої реакцію свої сигнали. Маско тим самим дозволяє «заплющивши очі» певні зовнішні переривання. Це важливо задля організації програмно керованого пріоритету обслуговування зовнішніх запитів, і операційна система широко цим користується. Одне з розрядів головного регістру переривань пов’язані з периферійним регістром переривання і сигналізує лише у тому, що у периферійному регістрі з’явився десь сигнал переривання. Периферійний регістр пов’язані з медленнодействующими зовнішніми пристроями, сигнали яких надходять нечасто. Як це і головний регістр переривань, периферійний регістр має власну маску, що дозволить блокувати поява переривань, реагувати куди в момент по будь-якої причини небажано. Отже, система переривань БЭСМ-6 побудована по ієрархічному принципу. З іншого боку, в машині є кілька регістрів, в розрядах яких інформацію про поточний стан зовнішніх пристроїв. Цю інформацію будь-якої миті можна й усвідомити, наприклад, такі речі: перебуває чи дане пристрій чи канал в справному стані, включено чи дане пристрій, подматывается чи магнітна стрічка тощо. буд. Головний регістр переривань, периферійний регістр переривань і регістри станів дозволяють разом машині БЭСМ-6 реагувати на 240 різних ознак, характеризуючих стан зовнішнього середовища й внутрішній стан машини.

Как відбувається переривання? Якщо якомусь розряді ГРП з’явився сигнал переривання й у відповідному розряді маски цей сигнал не заблокований, поточна програма припиняє виконання, і управління примусово передається певну фіксовану фізичну осередок пам’яті. Одночасно машина перетворюється на стан супервизорного режиму, скасовуються й інші переривання й у деяких управляючих регістрах апаратно запам’ятовується стан перерваної програми. Цей стан характеризується номером команди, де сталося переривання, і статусом перерваної програми, т. е. запам’ятовується той режим, у якому вона виконувалася. Перерваний програма, наприклад, могла виконуватися, своєю чергою, як супервізора чи звичайному режимі, могла виконуватися як блокування схеми приписки адрес чи режимі перетворення математичних адрес в фізичні, нарешті, могла виконуватися як экстракодов, про яку буде вказано трохи нижче, як блокування переривань по переповненню арифметичного устрою. Інакше кажучи, при перериванні схемно запам’ятовується той мінімум, яке необхідне наступного повернення перервану програму. Блок керуючої програми, аналізуючий причину переривання і організуючий звернення до відповідного блоку реакцію дане переривання, розташовується, починаючи з фіксованою осередки, яку передається управління. Можна сказати, що операційна система починається з цим фіксованою осередки.

Для здобуття права пояснити значення структурних особливостей БЭСМ-6, ми розповімо у тому, як працюють деякі блоки диспетчера ОС, реагують на переривання від зовнішніх пристроїв, на переривання захисту пам’яті, організуючі таблицю відповідностей, щоб забезпечити переключення завдань в мультипрограммном режимі. Ці блоки називають внутрішніми блоками диспетчера, звичайно належать до резидентской частини операційної системи й становлять основу її ядра. Ми розпочнемо з блоку реакцій на переривання від зовнішніх пристроїв. Як мовилося раніше, при перериванні виробляється примусова передача управління на фіксовану осередок, як разом із цієї чарунки й починається програма реакцію переривання, і розпочинається вона блоком упрятывания.

Прежде лише у цьому блоці виробляється пересилання вмісту сумматора (його старших і молодших розрядів) у Красноярську деякі осередки закритою області пам’яті. Це робиться здобуття права програми операційній системи могли вільно користуватися сумматором, не переймаючись його схоронності. Потім виконується пересилання значень двох індексних регістрів на згадку про про те, щоб зберегти те їхній вміст, що було їм надано перерваної завданням, і таким чином можливість програмам ОС користуватися цими індексними регістрами на свої цілей. Далі на акумулятор зчитується вміст головного регістру переривань, відшукується номер найстаршого розряду, дав переривання, і з цього номера виробляється передача управління з перемикачеві на блок, реагує саме у переривання з цим номером. Наприклад, якщо виявилося, що номер найстаршого розряду дорівнює 3, це означає, що закінчився обмін по магнітному барабану і управління передається на спеціальний блок, займається обробкою переривань по кінцю обміну. Якщо номер дорівнював 1, це означатиме наступ моменту, коли можна видавати певний символ на рядок друку, і передачі управління відбувається на відповідний блок, організуючий видачу рядки символів на друкуюче пристрій. Процедура упрятывания, збереження необхідної інформації та передачі управління на відповідний блок реакції забирає в центрального процесора близько 23 мксек.

Несмотря те що, що цей час видається дуже великим, він ставить деякі обмеження на максимально допустиму частоту вступників переривань, із якими можуть упоратися процесор і операційна система. Тому дуже важливо оптимізувати за часом роботу блоків ОС, що з закритим перериванням. Як ми знаємо, при перериванні машина перетворюється на супервизорный режим, до стану з забороною подальшого переривання і з блокуванням схеми «приписування» адрес. Щоб втрачена, точніше, не згаяти час реакцію інші переривання, які можуть виникнути в останній момент роботи центрального процесора в цьому режимі з «закритими очима», буде клопоту з тому, щоб як студія-продакшн і швидше «відкрити» переривання.

В диспетчері прийнята наступна логіка, що вчетверо-вп'ятеро зменшує ймовірність втрати переривань. Будь-яка програма, реагуюча на конкретну причину переривань, і двох блоків: блоку мінімально необхідної реакції, йде з закритим перериванням, і програма блоку, котрі можуть виробляти роботи з відкритим (незапрещенным) перериванням. По виконанні блоків мінімально необхідної реакції управління передається на блок пошуку старшого розряду, дав переривання. У разі, а то й з’явилося нових переривань, управління передається блоку реакції, що йде з відкритою перериванням. Блок-схема програми реакцію переривання представлена на рис. 2. З наведеної блок-схемы видно, що блоки мінімальної реакцію відповідне переривання завершують своєї роботи постановкою у чергу замовлення подальшу обробку даного переривання, яка може бути вже з відкритою перериванням. Щоб була зрозуміла відмінність між блоком мінімальної реакцію i-е переривання і блоком подальшого опрацювання, наведемо наступний приклад.

.

рис. 2.

В процесі зчитування інформації з перфокарт перериванням фіксується момент появи ліченої рядки (чи шпальти) на регістрі мультиплексного каналу. Цю інформацію повинна якомога швидше бути знято від цього регістру, щоб звільнити її подальшої роботи.

Блок мінімальної реакції працює по визволенню вхідного регістру і запис інформацією осередки ОЗУ. Крім цієї роботи блок реакцію переривання має виконати великий роботи вистачить по семантичному контролю змісту рядки, компонуванням символів для засиланням в пам’ять машини, т. е. виконати роботи з редагування введеної інформації. Ця робота має бути виконано до приходу зі зчитувального устрою наступній рядки інформації. Між моментами появи рядків проходить порівняно великий проміжок часу, й інші роботи з редагування на проході можна виконувати «неквапливо» .

Блок мінімальної реакції закінчується видачею замовлення на редагування, причому цієї роботи призначається порівняно невисокий пріоритет. Блок вибору роботи з продовження обслуживаний переривань вибирає виконання роботи з найвищим пріоритетом, власне кажучи, поза залежність від цього у якій послідовності реально виникли переривання, поставили у чергу роботи з виконання.

Для здобуття права краще пояснити значення апарату захисту пам’яті в БЭСМ- 6, розповімо у тому, як тим апаратом користується операційна система (ОС). Завдання, яка надходить систему, постачається деяким описом тих ресурсів, що вона вимагає від системи у свого рішення. Ця інформація називається паспортом завдання. Зокрема, у паспорті вказується число аркушів ОЗУ, яке їй знадобиться на вирішення.

На основі описи ресурсів необхідної математичної пам’яті ОС аналізує наявність вільних ресурсів у машині на момент надходження завдання, і якщо вільних ресурсів досить, то завдання вводять у рішення. При цьому ОС призначає кожному необхідному математичного аркушу пам’яті завдання фізичний лист оперативного запоминающего устрою або сторінку на магнітному барабані. Таке призначення до операційній системі формується таблиця відповідності математичних аркушів їх фізичному месторасположению.

В той час, коли дана завдання починає вирішуватися, точніше, на той час, як у розпорядження віддається центральний процесор, основі цієї таблиці формується зміст апаратних регістрів приписки для тих математичних аркушів, яким виділено в момент оперативна фізична пам’ять. Тим математичним листам, яким виділено пам’ять на барабанах чи котрі взагалі зажадала завдання, приписується ознака захисту. Якщо під час свого рішення завдання звертається до листам, відображеним на магнітні барабани, або до листам, нею не існуючим, то процес рахунки відбувається нормально. У разі, якщо програма завдання звернулася до математичного аркушу, які перебувають на барабані, спрацьовує переривання захисту, і операційна система, аналізуючи причину переривання, прагне «перекачати» цей аркуш з барабана. перший вільний лист оперативної пам’яті. Іноді при цьому їй доводиться «скинути» будь-якої лист на барабан, звільнивши цим лист оперативної пам’яті. Поки виробляється «підкачка» аркушів у тому, щоб було продовжити вирішення завдання, перервану захисту програми, центральний процесор віддається у розпорядження інший завданню. Вочевидь, стратегія, т. е. методи розподілу аркушів завдань між оперативної пам’яттю і пам’яттю на магнітному барабані повинні бути обрані те щоб мінімізувати число «скидів» і «подкачек», оскільки це впливає ефективність мультипрограммной роботи. Таких методів є багато, і яких мусив бути окрема розмова, виходить далеко за межі цієї книжки. Отже, система захисту та приписки використовується операційній системою в організацію динамічного розподілу ресурсів дворівневої пам’яті. Але цього ж системою ОС користується у тому, щоб поєднати обчислення з роботою зовнішніх запам’ятовувальних пристроїв і пристроїв виводу-введення-висновку.

Как тільки програму завдання звертається процедури виведення (введення) інформації з будь-якого математичного аркуша, цей аркуш «закривається» захисту до закінчення процесу виведення (введення). Тепер завдання, поставивши ОС директиву виконати вхід-видобуток, вільний продовжувати обчислення, які користуються інформацією з аркуша, який би в обміні, й у разі робота з уведенню-висновку буде сполучена з рахунком. Варто лише завданню звернутися до аркушу, що у процесі обміну, як станеться переривання і операційна система змусить це завдання почекати закінчення обміну. Тим самим було досягається синхронізація паралельних процесів рахунки і вводу-виводу. І, нарешті, якщо програма завдання звернулася до незаказанному аркушу ОЗУ, тобто. зробила спробу звернутися до «чужому» аркушу, то знову спрацьовує переривання з захисту та операційна система фіксує помилку у програмі і викидає завдання з рішення, надаючи зайняті нею ресурси у розпорядження інші завдання.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.