Основные характеристики мультипрограммного режима работы ЭВМ

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

Мультипрограммирование позволяет повысить производительность работы ЭВМ за счет более эффективного использования ее ресурсов.

Базовыми понятиями мультипрограммного режима функционирования ЭВМ являются процесс и ресурс

В строгом понимании процесс - это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования. То есть процесс - это некоторая деятельность, связанная с исполнением программы на процессоре.

Процесс может находиться в следующих состояниях:

· порождение - подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре;

· активное состояние - исполнение программы на центральном процессоре;

· готовность (Ready) - программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора;

· исполнение программы на каком-либо другом устройстве компьютера, например, устройстве ввода/вывода, имеющем собственные средства управления;

· ожидание (Wait) - программа не исполняется по причине занятости какого-либо ресурса;

· окончание - нормальное или аварийное завершение исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Время между порождением и окончанием процесса называется интервалом существования процесса.

Понятие ресурса строго не определено. Будем считать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом.

Ресурсы различаются по запасу выделяемых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпаемыми и неисчерпаемыми. К исчерпаемым ресурсам относится, например, центральный процессор. В качестве неисчерпаемого ресурса можно представить, например, память, выделяемую программе, если рассматривать ее как совокупность всех имеющихся в компьютере запоминающих устройств. В то же время, запоминающее устройство, состоящее только из оперативной памяти с единственным трактом записи/считывания, представляет собой исчерпаемый ресурс.

Исчерпаемость ресурса, как правило, приводит к конфликтам среди потребителей этого ресурса. Для регулирования конфликтов ресурсы должны распределяться между потребителями по каким-то правилам, в наибольшей степени их удовлетворяющим.

Основные черты мультипрограммного режима:

· в оперативной памяти находятся несколько пользовательских 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 устройствами ввода-вывода.

Мультипрограммирование предназначено для повышения пропускной способности вычислительной системы путем более равномерной и полной загрузки всего ее оборудования, в первую очередь процессора. При этом скорость работы самого процессора и номинальная производительность ЭВМ не зависят от мультипрограммирования.

Мультипрограммный режим имеет в ЭВМ аппаратную и программную поддержку:

· аппаратная:

o контроллеры устройств ввода-вывода, которые могут работать параллельно с процессором;

o система прерывания;

o аппаратные средства системы защиты программ и данных в микропроцессоре;

o и т.п.;

· программная:

o мультизадачная операционная система (ОС);

o системные программы, управляющие работой устройств ввода-вывода и специализированных средств вычислительной системы.

Управляющая программа (ОС), реализуя мультипрограммный режим, должна распределять (в том числе динамически) ресурсы системы (время процессора, оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода и т.д.) между параллельно выполняемыми программами, чтобы обеспечить увеличение пропускной способности компьютера с учетом ограничений на ресурсы и требований по срочности выполнения отдельных программ.

Производительность мультипрограммной ЭВМ оценивается количеством задач, выполненных в единицу времени (пропускная способность) и временем выполнения каждой программы Тi.

 

Организация связи МК с внешней средой и времени(20,21,22,23)

Порты ввода-вывода

Контроллеры подгруппы PIC16F8X имеют два порта: PORTA (5 бит) и PORTB (8 бит) с побитовой индивидуальной настройкой на ввод или на вывод.

Порт A (PORTA) представляет собой 5-битовый фиксатор, соответствующий выводам контроллера RA<4:0>. Линия RA4 имеет вход триггера Шмитта и выход с открытым стоком. Все остальные линии порта имеют ТТЛ входные уровни и КМОП выходные буферы. Адрес регистра порта А – 05h.

Каждой линии порта поставлен в соответствие бит направления передачи данных, который хранится в управляющем регистре TRISA, расположенном по адресу 85h. Если бит управляющего TRISA регистра имеет значение 1, то соответствующая линия будет устанавливаться на ввод. Ноль переключает линию на вывод и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра-фиксатора порта. При включении питания все линии порта по умолчанию настроены на ввод.

Операция чтения порта А считывает состояние выводов порта, в то время как запись в него изменяет состояние триггеров порта. Все операции с портом являются операциями типа «чтение-модификация-запись». Поэтому запись в порт предполагает, что состояние выводов порта вначале считывается, затем модифицируется и записывается в триггер-фиксатор. Вывод RA4 мультиплексирован с тактовым входом таймера TMR0. Схема линии RA4 порта А приведена.

Порт В (PORTB) – это двунаправленный 8-битовый порт, соответствующий выводам RB<7:0> контроллера и расположенный по адресу 06h. Относящийся к порту В управляющий регистр TRISB расположен на первой странице регистров по адресу 86h. Если бит управляющего TRISB регистра имеет значение 1, то соответствующая линия будет устанавливаться на ввод. Ноль переключает линию на вывод и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки. При включении питания все линии порта по умолчанию настроены на ввод.

У каждой ножки порта В имеется небольшая активная нагрузка (около 100мкА) на линию питания (pull-up). Она автоматически отключается, если эта ножка запрограммирована как вывод. Более того, управляющий бит /RBPU регистра OPTION<7> может отключить (при RBPU=1) все нагрузки. Сброс при включении питания также отключает все нагрузки.

Четыре линии порта В (RB<7:4>) могут вызвать прерывание при изменении значения сигнала на любой из них. Если эти линии настроены на ввод, то они опрашиваются и защелкиваются в цикле чтения Q1. Новая величина входного сигнала сравнивается со старой в каждом командном цикле. При несовпадении значения сигнала на ножке и в фиксаторе генерируется высокий уровень. Выходы детекторов «несовпадений» RB4, RB5, RB6, RB7 объединяются по ИЛИ и генерируют прерывание RBIF (запоминаемое в регистре INTCON<0>). Любая линия, настроенная как вывод, в этом сравнении не участвует. Прерывание может вывести кристалл из режима SLEEP. В подпрограмме обработки прерывания следует сбросить запрос прерывания одним из следующих способов:

прочитать (или записать в) порт В. Это завершит состояние сравнения;

обнулить бит RBIF регистра INTCON<0>.

При этом необходимо иметь в виду, что условие «несовпадения» будет продолжать устанавливать признак RBIF. Только чтение порта В может устранить «несовпадение» и позволит обнулить бит RBIF.

Прерывание по несовпадению и программно устанавливаемые внутренние активные нагрузки на этих четырех линиях могут обеспечить простой интерфейс, например, с клавиатурой, с выходом из режима SLEEP по нажатию клавиш.

Схемы линий порта B приведены на.

При организации двунаправленных портов необходимо учитывать особенности организации ввода/вывода данных МК. Любая команда, которая осуществляет запись, выполняет ее внутри как «чтение-модификация-запись». Например, команды BCF и BSF считывают порт целиком, модифицируют один бит и выводят результат обратно. Здесь необходима осторожность. В частности, команда BSF PORTB, 5 (установить в единицу бит 5 порта B) сначала считывает все реальные значения сигналов, присутствующие в данный момент на выводах порта. Затем выполняются действия над битом 5, и новое значение байта целиком записывается в выходные фиксаторы. Если другой бит регистра PORTB используется в качестве двунаправленного ввода/вывода (скажем, бит 0), и в данный момент он определен как входной, то входной сигнал на этом выводе будет считан и записан обратно в выходной триггер-фиксатор этого же вывода, стирая предыдущее состояние. До тех пор, пока эта ножка остается в режиме ввода, никаких проблем не возникает. Однако если позднее линия 0 переключи тся в режим вывода, ее состояние будет неопределенным.

На ножку, работающую в режиме вывода, не должны нагружаться внешние источники токов («монтажное И», «монтажное ИЛИ»). Большие результирующие токи могут повредить кристалл.

Необходимо выдерживать определенную последовательность обращения к портам ввода/вывода. Запись в порт вывода происходит в конце командного цикла. Но при чтении данные должны быть стабильны в начале командного цикла. Будьте внимательны в операциях чтения, следующих сразу за записью в тот же порт. Здесь надо учитывать инерционность установления напряжения на выводах. Может потребоваться программная задержка, чтобы напряжение на ножке (которое зависит от нагрузки) успело стабилизироваться до начала исполнения следующей команды чтения.

 

Таймеры

Большинство задач управления, которые реализуются с помощью МК, требуют исполнения их в реальном времени. Под этим понимается способность системы получить информацию о состоянии управляемого объекта, выполнить необходимые расчетные процедуры и выдать управляющие воздействия в течение интервала времени, достаточного для желаемого изменения состояния объекта.

Возлагать функции формирования управления в реальном масштабе времени только на центральный процессор неэффективно, так как это занимает ресурсы, необходимые для расчетных процедур. Поэтому в большинстве современных МК используется аппаратная поддержка работы в реальном времени с использованием таймера (таймеров).
Модули таймер служат для приема информации о времени наступления тех или иных событий от внешних датчиков событий, а также для формирования управляющих воздействий во времени.

Модуль таймера 8-разрядного МК представляет собой 8-ми или 16-разрядный счетчик со схемой управления. Схемотехникой МК обычно предусматривается возможность использования таймера в режиме счетчика внешних событий, поэтому его часто называюттаймером/счетчиком. Структура типичного 16-разрядного таймера/счетчика в составе МК приведена на рис. 4.5.

В памяти МК 16-разрядный счетчик отображается двумя регистрами: TH — старший байт счетчика, TL — младший байт. Регистры доступны для чтения и для записи. Направление счета — только прямое, то есть при поступлении входных импульсов содержимоесчетчика инкрементируется. В зависимости от настройки счетчик может использовать один из источников входных сигналов:

§ импульсную последовательность с выхода управляемого делителя частоты f_BUS;

§ сигналы внешних событий, поступающие на вход TOCKI контроллера.

В первом случае говорят, что счетчик работает в режиме таймера, во втором — в режиме счетчика событий. При переполнениисчетчика устанавливается в "единицу" триггер переполнения TF, который генерирует запрос на прерывание, если прерывания оттаймера разрешены. Пуск и останов таймера могут осуществляться только под управлением программы. Программным способом можно также установить старший и младший биты счетчика в произвольное состояние или прочитать текущий код счетчика.

Рассмотренный "классический" модуль таймера/счетчика широко применяется в различных моделях относительно простых МК. Он может использоваться для измерения временных интервалов и формирования последовательности импульсов. Основными недостатками "классического" таймера/счетчика являются:

§ потери времени на выполнение команд пуска и останова таймера, приводящие к появлению ошибки при измерении временных интервалов и ограничивающие минимальную длительность измеряемых интервалов времени единицами мс;

§ сложности при формировании временных интервалов (меток времени), отличных от периода полного коэффициента счета, равного(K_дел/f_BUS) · 2¹⁶;

§ невозможность одновременного обслуживания (измерения или формирования импульсного сигнала) сразу нескольких каналов.

Первые из двух перечисленных недостатков были устранены в усовершенствованном модуле таймера/счетчика, используемом в МК семейства MCS-51 (Intel). Дополнительная логика счетного входа позволяет тактовым импульсам поступать на вход счетчика, если уровень сигнала на одной из линий ввода равен "1". Такое решение повышает точность измерения временных интервалов, так как пуск и останов таймера производится аппаратно. Также в усовершенствованном таймере реализован режим перезагрузки счетчикапроизвольным кодом в момент переполнения. Это позволяет формировать временные последовательности с периодом, отличным от периода полного коэффициента счета.

Однако эти усовершенствования не устраняют главного недостатка модуля "классического" таймера — одноканального режима работы. Совершенствование подсистемы реального времени МК ведется по следующим направлениям:

§ увеличение числа модулей таймеров/счетчиков. Этот путь характерен для фирм, выпускающих МК со структурой MCS-51, а также для МК компаний Mitsubishi и Hitachi;

§ модификация структуры модуля таймера/счетчика, при которой увеличение числа каналов достигается не за счет увеличения числасчетчиков, а за счет введения дополнительных аппаратных средств входного захвата (input capture — IC) и выходного сравнения (output compare — OC). Такой подход используется, в частности, в МК компании Motorola.

Принцип действия канала входного захвата таймера/счетчика иллюстрирует рис. 4.6.

Схема детектора события "наблюдает" за уровнем напряжения на одном из входов МК. Чаще всего это одна из линий порта ввода/вывода. При изменении уровня логического сигнала с "0" на "1" и наоборот вырабатывается строб записи, и текущее состояние счетчика таймера записывается в 16-разрядный регистр входного захвата. Описанное действие в микропроцессорной технике называют событием захвата. Предусмотрена возможность выбора типа сигнала на входе, и это воспринимается как событие:

§ положительный (передний) фронт сигнала;

§ отрицательный (задний) фронт сигнала;

§ любое изменение логического уровня сигнала.

Выбор типа события захвата устанавливается в процессе инициализации таймера и может неоднократно изменяться в ходе выполнения программы. Каждое событие захвата приводит к установке в "1" триггера входного захвата и появлению на его выходе флага (признака) входного захвата ICF. Состояние триггера входного захвата может быть считано программно, а если прерывания по событию захвата разрешены — формируется запрос на прерывание INT IC.

Использование режима входного захвата позволяет исключить ошибки измерения входного интервала времени, связанные со временем перехода к подпрограмме обработки прерывания, так как копирование текущего состояния счетчика осуществляется аппаратными, а не программными средствами. Однако время перехода на подпрограмму обработки прерывания накладывает ограничение на длительность измеряемого интервала времени, так как предполагается, что второе событие захвата произойдет позже, чем код первого события будет считан МК.

Структура аппаратных средств канала выходного сравнения представлена на рис. 4.7.

Цифровой компаратор непрерывно сравнивает текущий код счетчика таймера с кодом, который записан в 16-разрядном регистре выходного сравнения. В момент равенства кодов на одном из выходов МК (Pxj на рис. 4.7) устанавливается заданный уровень логического сигнала. Обычно предусмотрено три типа изменения сигнала на выходе Pxj в момент события выходного сравнения:

§ установка высокого логического уровня;

§ установка низкого логического уровня;

§ инвертирование сигнала на выходе.

При наступлении события сравнения устанавливаются в "1" триггер выходного сравнения и соответствующий ему признак выходного сравнения OCF. Аналогично режиму входного захвата состояние триггера выходного сравнения может быть считано программно, а если прерывания по событию сравнения разрешены — формируется запрос на прерывание INT OC.

Режим выходного сравнения предназначен, прежде всего, для формирования временных интервалов заданной длительности. Длительность сформированного временного интервала определяется только разностью кодов, последовательно загружаемых в регистр выходного сравнения, и не зависит от программного обеспечения МК. Время, необходимое для записи нового значения кода в регистр канала сравнения, ограничивает минимальную длительность формируемого временного интервала.

Модули усовершенствованного таймера используются в составе МК в различных модификациях. При этом число каналов входного захвата и выходного сравнения в модуле может быть различным. Так, в МК семейства HC05 фирмы Motorola типовыми решениями являются модули 1IC+1OC или 2IC+2OC, а модуль таймера в составе МК только один. В ряде модулей каналы могут быть произвольно настроены на функцию входного захвата или выходного сравнения посредством инициализации. Счетчик модуля усовершенствованного таймера может не иметь функции программного останова. В этом случае состояние счетчика нельзя синхронизировать с каким-либо моментом работы МК, и такой счетчик характеризуется как свободно считающий (free counter).

Аппаратные средства усовершенствованного таймера позволяют решить многие задачи управления в реальном времени. Однако по мере роста сложности алгоритмов управления отчетливо проявляются ограничения модулей усовершенствованного таймера, а именно:

§ недостаточное число каналов захвата и сравнения, принадлежащих одному счетчику временной базы. Это не позволяет сформировать синхронизированные между собой многоканальные импульсные последовательности;

§ однозначно определенная конфигурация канала (или захват или сравнение) часто не удовлетворяет потребностям решаемой задачи;

§ формирование сигналов по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) требует программной поддержки, что снижает максимально достижимую частоту выходного сигнала.

Процессоры событий

Впервые модулипроцессоров событий были использованы компанией Intel в МК семейства 8xC51Fx. Этот модуль получил название программируемого счетного массива (Programmable Counter Array — PCA).

РСА обеспечивает более широкие возможности работы в реальном масштабе времени и в меньшей степени расходует ресурсы центрального процессора, чем стандартный и усовершенствованный таймеры/счетчики. К преимуществам РСА также можно отнести более простое программирование и более высокую точность. К примеру, РСА может обеспечить лучшее временное разрешение, чемтаймеры 0, 1 и 2 МК семейства MCS-51, так как счетчик РСА способен работать с тактовой частотой, втрое большей, чем у этихтаймеров. РСА также может решать многие задачи, выполнение которых с использованием таймеров требует дополнительных аппаратных затрат (например, определение фазового сдвига между импульсами или генерация ШИМ-сигнала). РСА состоит из 16-битного таймера-счетчика и пяти 16-битных модулей сравнения-защелки, как показано на рис. 4.8.

Таймер-счетчик РСА используется в качестве базового таймера для функционирования всех пяти модулей сравнения-защелки. Входтаймера-счетчика РСА может быть запрограммирован на счет сигналов от следующих источников:

§ выход делителя на 12 тактового генератора МК;

§ выход делителя на 4 тактового генератора МК;

§ сигнал переполнения таймера 0;

§ внешний входной сигнал на выводе ЕСI (P1.2).

Любой из модулей сравнения-защелки может быть запрограммирован для работы в следующих режимах:

§ защелкивания по фронту и/или спаду импульса на входе CEXi;

§ программируемого таймера;

§ высокоскоростного выхода;

§ широтно-импульсного модулятора.

Модуль 4 может быть также запрограммирован как сторожевой таймер (Watchdog Timer – WDT).

Режим защелкивания по импульсу на входе МК эквивалентен режиму входного захвата (IC ) усовершенствованного таймера. Режимы программируемого таймера и высокоскоростного выхода близки по своим функциональным возможностям к режиму выходного сравнения (OC).

В режиме ШИМ на соответствующем выводе МК формируется последовательность импульсов с периодом, равным периоду базовоготаймера/счетчика PCA. Значение 8-разрядного кода, записанное в младший байт регистра-защелки соответствующего модуля задает скважность формируемого сигнала. При изменении кода от 0 до 255 скважность меняется от 100 % до 0,4 %.

Режим ШИМ очень прост с точки зрения программного обслуживания. Если изменения скважности не предполагается, то достаточно один раз занести соответствующий код в регистр данных модуля, проинициализировать режим ШИМ, и импульсная последовательность будет воспроизводиться с заданными параметрами без вмешательства программы.

Назначение и особенности работы сторожевого таймера будут рассмотрены далее отдельно.

При работе модуля сравнения-защелки в режиме защелки, программируемого таймера или высокоскоростного выхода модуль может сформировать сигнал прерывания. Сигналы от всех пяти модулей сравнения-защелки и сигнал переполнения таймера РСА разделяют один вектор прерывания. Иными словами, если прерывания разрешены, то и сигнал переполнения таймера PCA и сигнал от любого из модулей вызывают одну и ту же подпрограмму прерываний, которая должна сама идентифицировать источник, вызвавший ее.

Для работы с внешними устройствами таймер-счетчик РСА и модули сравнения-защелки используют выводы P1 порта МК. Если какой-либо вывод порта не используется при работе РСА, или РСА не задействован, порт может применяться стандартным образом.

Реализованный в 8xC51FX PCA оказался настолько удачным, что архитектура данных МК стала промышленным стандартом де-факто, а сам PCA многократно воспроизводился в различных модификациях микроконтроллеров разных фирм.

Тенденция развития подсистемы реального времени современных МК находит свое отражение в увеличении числа каналовпроцессоров событий и расширении их функциональных возможностей.

 

Модули прерываний

Обработка прерываний в МК происходит в соответствии с общими принципами обработки прерываний в МПС. Модуль прерыванийпринимает запросы прерывания и организует переход к выполнению определенной прерывающей программы. Запросы прерываниямогут поступать как от внешних источников, так и от источников, расположенных в различных внутренних модулях МК. В качестве входов для приема запросов от внешних источников чаще всего используются выводы параллельных портов ввода/вывода, для которых эта функция является альтернативной. Источниками запросов внешних прерываний также могут быть любые изменения внешних сигналов на некоторых специально выделенных линиях портов ввода/вывода.

Источниками внутренних запросов прерываний могут служить следующие события:

§ переполнение таймеров/счетчиков;

§ сигналы от каналов входного захвата и выходного сравнения таймеров/счетчиков или от процессора событий;

§ готовность памяти EEPROM;

§ сигналы прерывания от дополнительных модулей МК, включая завершение передачи или приема информации по одному из последовательных портов и другие.

Любой запрос прерывания поступает на обработку, если прерывания в МК разрешены и разрешено прерывание по данному запросу. Адрес, который загружается в программный счетчик при переходе к обработке прерывания, называется "вектор прерывания". В зависимости от организации модуля прерываний конкретного МК различные источники прерываний могут иметь разные векторы или использовать некоторые из них совместно. Использование различными прерываниями одного вектора обычно не вызывает проблем при разработке программного обеспечения, так как аппаратная часть МК фиксирована, а контроллер чаще всего выполняет одну-единственную программу.

Вопрос о приоритетах при одновременном поступлении нескольких запросов на прерывание решается в различных МК по-разному. Есть МК с одноуровневой системой приоритетов (все запросы равноценны), многоуровневой системой с фиксированными приоритетами и многоуровневой программируемой системой приоритетов.

Отдельно необходимо описать аппаратные прерывания, связанные с включением питания, подачей сигнала "сброс" и переполнением сторожевого таймера. Они имеют немаскируемый характер и чаще всего разделяют один общий вектор прерывания. Это вполне логично, поскольку результатом каждого из событий является начальный сброс МК.

 

 

24. Вспомогательные аппаратные средства MCU(основные понятия) (25)