Содздание приложений на языке Ассеблер

Одним из наиболее дешевых способов, позволяющих учитывать поток обращений к ячейкам, является следующий. Каждой ячейке АСОЗУ ставится в соответствие бит (триггер) обращения, который устанавливается при обращении к этой ячейке. Когда биты обращения всех ячеек АСОЗУ установятся в 1, все они одновременно сбрасываются в 0. Поиск очищаемой ячейки осуществляется среди ячеек, биты обращения которых нулевые, причем если таких ячеек несколько, то среди них осуществляется случайная выборка.

Наличие АСОЗУ в ЭВМ позволяет (при достаточном его объеме и правильно выбранной стратегии загрузки) значительно увеличить производительность системы. При этом наличие или отсутствие АСОЗУ никак не отражается на построении программы. АСОЗУ не является программно-доступным объектом, оно скрыто от пользователя. Недаром в литературе для обозначения АСОЗУ часто используется термин "кэш-память" (cache — тайник).

Кэш-память, структура которой приведена на рис. 3, носит название полностью ассоциативной. Здесь каждая ячейка кэш может подменять любую ячейку ОЗУ. Достоинство такой памяти — максимальная вероятность кэш-попадания (при прочих равных условиях), по сравнению с другими способами организации кэш. К недостаткам можно отнести сложность ее структуры (а следовательно, и высокую стоимость). Действительно, в каждом разряде поля признаков необходимо реализовать, наряду с возможностями записи и хранения, функцию сравнения хранимого бита с соответствующим битом признака, а потом конъюнкцию результатов сравнения разрядов в каждой ячейке.

Кэш-память с прямым отображением требует минимальных затрат оборудования (по сравнению с другими вариантами организации кэш), но имеет минимальную вероятность кэш-попаданий. Суть организации (рис. 3) состоит в следующем. Физическая оперативная намять разбивается на блоки (множества) одинакового размера, количество которых (блоков) соответствует числу ячеек кэш, причем каждой строке ставится в соответствие определенное множество ячеек памяти, не пересекающееся с другими. Все ячейки множества претендуют на одну строку кэш.

Такая организация кэш исключает собственно ассоциативный поиск, а следовательно, значительно упрощается схема ячейки поля признаков. Действительно, здесь копия требуемой ячейки оперативной памяти может располагаться в единственной строке кэш. Часть физического адреса (на рис. 3 — старшая) определяет номер множества и, следовательно, строку кэш. Содержимое этой строки выбирается по обычному адресному принципу, и поле тега сравнивается с младшей частью физического адреса. Таким образом, для всей кэш-памяти (любого размера) достаточно единственной схемы сравнения.

Рисунок 3 – Кэш с прямым отображением

Однако предложенная выше структура имеет существенный недостаток. Если проводить разбиение памяти на множества, как показано на рис. 3, то в большинстве случаев кэш будет использоваться крайне неэффективно. Во-первых, хотя адресное пространство физической памяти 32-разрядных микропроцессоров составляет 232 байтов, в современных ПЭВМ обычно используют намять объемом 225 — 229 байтов. Следовательно, строки кэш, отображаемые на старшие (физически отсутствующие) множества памяти, никогда не будут использованы.

Во-вторых, если в множества включать следующие подряд ячейки ОЗУ, то копии никаких двух последовательных ячеек ОЗУ нельзя одновременно иметь в кэш (кроме случая последней и первой ячеек двух соседних множеств), что противоречит одной из основополагающих стратегий загрузки кэш — целесообразности копирования в кэш группы последовательных ячеек ОЗУ.

Для исключения отмеченных недостатков разбиение ячеек памяти на множества осуществляется таким образом, чтобы соседние ячейки относились к разным множествам, что достигается размещением поля номера множества не в старших, а в младших разрядах физического адреса.

Для дальнейшего увеличения вероятности кэш-попаданий можно реализовать вариант кэш-памяти, ассоциативной по множеству, которая отличается от кэш с прямым отображением наличием нескольких строк кэш на одно множество ячеек памяти.

1.3 Виртуальная  память

Выше были рассмотрены способы организации сверхоперативной памяти и ее взаимодействия с оперативной. Не менее, а порой и более важной проблемой является организация взаимодействия в паре ОЗУ — ВЗУ.

Известно, что в современных ЭВМ (кроме простейших) реализовано динамическое распределение памяти между несколькими задачами, существующими в ЭВМ в процессе решения. Даже для однозадачных конфигураций проблема динамического распределения памяти не теряет актуальности, т. к. в памяти, помимо задачи пользователя, всегда присутствует операционная система или ее фрагмент.

Наличие динамического распределения памяти предполагает, что программа компилируется в т. н. "логических" адресах, а в процессе работы происходит автоматическое преобразование логических адресов в физические.

Наибольшее распространение в ЭВМ получил метод динамического распределения памяти, называемый страничной организацией виртуальной памяти. При использовании этого метода вся память ЭВМ (ОЗУ и ВЗУ) рассматривается как единая виртуальная память. Адрес в этой памяти называется виртуальным или логическим. Вся виртуальная память делится на фрагменты одинакового размера, называемые виртуальными страницами. Размер страницы обычно составляет 0,5—4 Кбайт. Виртуальный адрес представляется состоящим из двух частей— номера страницы и номера слова на странице (смещения).

Физическая память ЭВМ (ОЗУ и ВЗУ) так же делится на страницы, причем размер физической страницы выбирается равным размеру виртуальной. Таким образом, одна физическая страница может хранить одну виртуальную, причем порядок следования виртуальных страниц в программе совсем не обязательно сохранять на физических страницах. Достаточно лишь установить однозначное соответствие между номерами виртуальных и физических страниц.

Соответствие между номерами виртуальных и физических страниц устанавливается с помощью специальной страничной таблицы (СТ), которую поддерживает операционная система. Размер физической страницы равен размеру виртуальной, поэтому преобразования смещений на странице не производятся.

Поскольку размер СТ достаточно велик, она хранится целиком в ОЗУ и модифицируется операционной системой всякий раз, когда в распределении памяти происходят изменения.

Для увеличения скорости обращения к памяти активная часть СТ обычно хранится в специальной быстродействующей памяти, организованной, как правило, по ассоциативному принципу. При этом в поле признаков АЗУ СТ хранятся виртуальные адреса страниц (иногда вместе с номером программы — в мультипрограммных системах), а в информационной части — соответствующие им номера физических страниц.

Если в результате преобразования виртуального адреса в физический оказывается, что требуемая физическая страница располагается в ВЗУ, то выполнение программы становится невозможным, пока не произойдет "подкачка" требуемой страницы в ОЗУ. Такая ситуация называется страничным сбоем и должна формировать внутреннее прерывание, по которому запускается подпрограмма чтения страницы из ВЗУ в ОЗУ.

При этом возникает серьезная проблема поиска той страницы, которую можно удалить из ОЗУ, чтобы на освободившееся место записать требуемую страницу. Серьезность проблемы обусловлена тем, что неудачный выбор удаляемой страницы (в ближайшее время она вновь понадобится) связан со значительной потерей времени на передачу страниц между ОЗУ и ВЗУ.

1.3.1 Алгоритмы  замещения

Правило, по которому при возникновении страничного сбоя выбирается страница для удаления из ОЗУ, называется алгоритмом замещения. Для данной программы, порождающей некоторый поток обращений к памяти, существует, по крайней мере, одна такая последовательность замещений страниц, которая дает для этой программы минимальное количество страничных сбоев.

Теоретически доказано, что минимальное число страничных сбоев будет получено, если в алгоритме замещения использовать информацию о потоке обращений к страницам в будущем (алгоритм Минховского — Шора) или, по крайней мере, о вероятности обращений к страницам в будущем. Алгоритмы замещения, использующие "информацию о будущем", называются физически нереализуемыми, их обычно применяют для оценки качества эвристических алгоритмов замещения.

Эвристические алгоритмы замещения используют информацию о потоке обращений к страницам в прошлом (историю процесса) для экстраполяции характеристик потока обращений в будущем. Как правило, используют три типа информации о прошлом: время пребывания страницы в ОЗУ (или, что то же— очередность поступления страниц), число обращений к страницам за определенный промежуток времени или отрезки времени с момента последнего обращения к страницам.

Эффективность эвристического алгоритма можно характеризовать отношением(рис.4):

Рисунок 4 – Эффективность эвристического алгоритма

где N0 — число страничных сбоев при решении данной задачи с применением физически нереализуемого алгоритма; Ne — то же с применением исследуемого эвристического алгоритма.

Эвристический алгоритм можно считать выбранным удачно (для данного класса задач), если коэффициент к близок к 1. Значение NQ может быть получено путем моделирования решения задачи (повторное) с предварительно зафиксированным потоком обращений к страницам.

При выборе подходящего алгоритма замещения следует учитывать не только его эффективность , но и аппаратные затраты и затраты времени на его реализацию.

Например, для реализации т. н. НДИ-алгоритма (наиболее давно используемая) каждой странице, находящейся в ОЗУ, ставится в соответствие таймер, который сбрасывается при обращении к странице. При страничном сбое необходимо осуществить поиск максимального элемента массива таймеров страниц. Для некоторых задач выигрыш времени за счет увеличения к при применении НДИ-алгоритма, по сравнению с алгоритмом случайного замещения, может быть сравним с потерей времени на поиск максимальных значений таймеров.

Некоторые алгоритмы замещения учитывают одновременно несколько параметров прошлого потока обращений.

Алгоритм "Карабкающаяся страница" (КС-алгоритм) поддерживает последовательность номеров страниц, находящихся в ОЗУ. При любом обращении к странице ее номер в последовательности перемещается на одну позицию в направлении начала, меняясь местами с предыдущим в последовательности номером (исключение — обращение к странице, номер которой стоит в начале последовательности). При возникновении страничного сбоя из ОЗУ удаляется страница, номер которой расположен в конце

последовательности, а номер вновь поступившей страницы помещается в конец последовательности. КС-алгоритм учитывает как время пребывания страницы в ОЗУ, так и интенсивность обращения к странице, причем не требует значительных аппаратных затрат, а при страничном сбое — времени на поиск.

Алгоритм "Рабочий комплект" (РК-алгоритм) более сложен в реализации, но позволяет адаптировать свои параметры под конкретный класс задач. Все страницы ОЗУ, к которым было обращение в течение отрезка времени Т, образуют т. н. рабочий комплект и не подлежат удалению из ОЗУ. Остальные страницы (не вошедшие в рабочий комплект) образуют две очереди кандидатов на замещение, причем в первую очередь попадают страницы, на которые не было записи во время пребывания их в ОЗУ. При страничном сбое удаляется страница из первой очереди (FIFO — первый пришел из рабочего комплекта — первый ушел из ОЗУ), а если первая очередь пуста, то — из второй. Из очереди страница может опять попасть в рабочий комплект, если к ней будет обращение. Для реализации РК-алгоритма каждой странице ставится в соответствие таймер на Т, причем каждое обращение к странице сбрасывает таймер (и переводит страницу в рабочий комплект, если она там отсутствовала), а переполнение таймера выводит страницу из рабочего комплекта. Подбором величины Т можно оптимизировать РК-алгоритм под конкретный класс задач.

1.3.2 Сегментная  организация памяти

До сих пор предполагалось, что виртуальная память, которой располагает программист, представляет собой непрерывный массив с единой нумерацией слов. Однако при написании программы удобно располагать несколькими независимыми сегментами (кода, данных, подпрограмм, стека и др.), причем размеры сегментов, как правило, заранее не известны. В каждом сегменте слова нумеруются с нуля независимо от других сегментов. В этом случае виртуальный адрес представляется состоящим из трех частей: <номер сегмента> <номер страницы> <номер слова>. В машине к виртуальному адресу может добавиться слева еще <номер задачи>. Таким образом, возникает определенная иерархия полей виртуального адреса, которой соответствует иерархия таблиц, с помощью которых виртуальный адрес переводится в физический. В конкретных системах может отсутствовать тот или иной элемент иерархии.

Виртуальная память была первоначально реализована на "больших" ЭВМ, однако по мере развития микропроцессоров в них так же использовались идеи страничной и сегментной организации памяти.

 

 

 

 

2 РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2.1 Описание  среды разработки

Моделируемая ЭВМ включает процессор, оперативную (ОЗУ) и сверхоперативную память, устройство ввода (УВв) и устройство вывода (УВыв). Процессор, в свою очередь, состоит из центрального устройства управления (УУ), арифметического устройства (АУ) и системных регистров (CR, PC, SP и др.)

В ячейках ОЗУ хранятся команды и данные. Емкость ОЗУ составляет 1000 ячеек. По сигналу MWr выполняется запись содержимого регистра данных (MDR) в ячейку памяти с адресом, указанным в регистре адреса (MAR). По сигналу MRd происходит считывание – содержимое ячейки памяти с адресом, содержащимся в MAR, передается в MDR.

Сверхоперативная память с прямой адресацией содержит десять регистров общего назначения R0-R9. Доступ к ним осуществляется (аналогично доступу к ОЗУ) через регистры RAR и RDR.

АУ осуществляет выполнение одной из арифметических операций, определяемой кодом операции (COP), над содержимым аккумулятора (Acc) и регистра операнда (DR). Результат операции всегда помещается в Acc. При завершении выполнения операции АУ вырабатывает сигналы признаков результата: Z (равен 1, если результат равен нулю); S (равен 1, если результат отрицателен); OV (равен 1, если при выполнении операции произошло переполнение разрядной сетки). В случаях, когда эти условия не выполняются, соответствующие сигналы имеют нулевое значение.

В модели ЭВМ предусмотрены внешние устройства двух типов. Во-первых, это регистры IR и OR, которые могут обмениваться с аккумулятором с помощью безадресных команд IN (Acc:=IR) и OUT (OR:=Acc). Во-вторых, это набор моделей внешних устройств, которые могут подключаться к системе и взаимодействовать с ней в соответствии с заложенными в моделях алгоритмами. Каждое внешнее устройство имеет ряд программно-доступных регистров, может иметь собственный обозреватель (окно видимых элементов).