Управление работой процессора Лекция 4 Курс «Архитектура БЭВМ »

Состояния процессора и условия переходов Следую щее состояние ЗАГРУЗК А СТОПРАБОТАСБОЙ Исходно е состояние ЗАГРУЗК А Пошаговый режим Непрерывны й режим Сбой оборудования СТОП Переклю чатели загрузки Переключат ель рестарта, приказ запуска в команде SYGNAL PROCESSOR РАБОТА Переключатели сброса процессора, приказ "Стоп" в команде SYGNAL PROCESSOR, завершение шага в пошаговом режиме работы, останов по совпадению адресов СБОЙ -Сброс-

Слово состояния программы PSW Текущее слово состояния программы PSW, как и управляющие регистры, содержит информацию, необходимую для управления процессом исполнения команд программы LOAD PSW, BRANCH, SET PROGRAM MASK… Форматы PSW: -для z/Architecture 128 бит -для ESA/ бита

Внешнее управление Предусмотрено пять инициируемых извне функций процессора: –сброс процессора –начальный сброс процессора –сброс подсистемы –сброс с очисткой –сброс по питанию

Сброс процессора Сброс процессора обеспечивает очистку указателей сбоев оборудования и устраняет неопределенность состояния процессора, возникающую в результате таких сбоев, в том числе путем сохранения состояния для последующего анализа и восстановления. Сброс процессора обеспечивает: прекращение выполнения текущей команды или других действий, например прерываний; сброс всех условий прерываний, кроме внешних плавающих прерываний; все предварительно выбранные команды и операнды, а также подготовленные для записи в память результаты сбрасываются; очищаются строки буферов ALB, TLB; если сброс вызван переключателем "загрузка - нормальная" любого из процессоров конфигурации: – устанавливается режим архитектуры ESA/390, –текущее PSW трансформируется в формат ESA/390 и сохраняется для последующего восстановления режима z/Architecture по команде SIGNAL PROCESSOR.

Начальный сброс процессора Начальный сброс процессора включает: операции сброса процессора с последующими дополнительными операциями очистки и инициализации: если сброс вызван переключателем "загрузка - нормальная", в данном процессоре и во всех процессорах конфигурации устанавливается режим архитектуры ESA/390; содержимое текущего PSW, старого PSW, регистров префикса, таймера CP, компаратора времени, программируемого регистра TOD и регистра управления операциями с ПТ устанавливается в 0; в управляющих регистрах устанавливаются начальные состояния, соответствующие режиму z/Architecture.

Сброс подсистемы Сброс подсистемы предназначен для тех элементов конфигурации, которые не являются процессорами, путем выполнения следующих действий: в канальной подсистеме выполняется сброс системы ввода-вывода, включая сброс прерываний ввода-вывода и передачу системного сброса в устройства ввода-вывода; сбрасываются плавающие прерывания в конфигурации.

Сброс с очисткой Сброс с очисткой объединяет операции начального сброса процессора со следующими операциями инициализации: во всех процессорах конфигурации устанавливается режим архитектуры ESA/390; регистры общего назначения, регистры с плавающей точкой, регистры доступа устанавливаются в 0; содержимое основной памяти в конфигурации и соответствующие ключи памяти обнуляются; блокировки, применяемые в любом процессоре конфигурации при исполнении команды PERFORM LOCKED OPERATION, отменяются; выполняется сброс подсистемы.

Сброс по питанию Сброс по питанию выполняется при включении питания. Сброс по питанию включает сброс регистров GR, FPR, AR в нулевое состояние и установку режима ESA/390 в случае сброса для конфигурирования или режима, в котором находятся другие процессоры. Сброс по питанию может сопровождаться сбросом TOD часов, основной и расширенной памяти и канальной подсистемы.

Средства временной синхронизации (Timing) Цель - отсчет времени и взаимная синхронизация процессоров: часы для отсчета реального времени и ведения даты и времени суток TOD clock; компаратор времени, предназначенный для выработки прерывания, когда показания часов TOD превышают установленное программой значение; процессорный таймер (CPU Timer), обеспечивающий измерение прошедшего времени и выработку прерывания в случае истечения заданного интервала времени.

Часы TOD

Состояния часов TOD: Часы могут находиться в одном из следующих состояний: Выставлены ( CR0, бит TOD-clock- sync-control), Не выставлены, Остановлены ( команда SET CLOCK), Неисправны или Отключены.

Установка показаний часов TOD: В многопроцессорных конфигурациях одновременное выполнение команд SET CLOCK в разных процессорах блокируется. Каждый процессор системы содержит 32-разрядный программируемый регистр TOD, младшие 16 бит которого содержат поле Programmable Field, загружаемое в память вместе с показаниями часов командой STORE CLOCK EXTENDED. Это позволяет идентифицировать показания часов для разных конфигураций.

Компаратор времени Загрузка - SET CLOCK COMPARATOR Чтение - STORE CLOCK COMPARATOR В некоторых моделях с целью повышения разрешающей способности компаратора сравниваются более 48 бит. Компаратор вырабатывает прерывание в следующих случаях: –часы идут и уставка в компараторе меньше показаний часов в сравниваемых разрядах; –часы в неисправном или отключенном состоянии.

Процессорный таймер Процессорный таймер - двоичный счетчик в формате, соответствующем старшим 64-м разрядам счетчика часов, исключая старший бит 0, рассматриваемый как знаковый. Таймер декрементируется вычитанием 1 из разряда 51 каждую микросекунду. Прерывание от таймера вырабатывается при достижении отрицательного значения, то есть, при установке 1 в разряде 0. Загрузка в таймер выполняется командой SET CPU TIMER, а чтение - командой STORE CPU TIMER.

Расхождения в отсчетах времени (Timer Stepping) В реальной системе TOD clock (часы для отсчета реального времени и ведения даты и времени суток и CPU Timer (процессорный таймер) отсчитывают время с одинаковой скоростью. В виртуальной системе CPU Timer запускается только тогда, когда к ней обращается Диспетчер, поэтому может получиться, что его отсчет окажется медленнее, чем у TOD clock

Мультипроцессирование Цель - распараллеливание вычислительных процессов с разделением данных и ресурсов и обеспечение высокой готовности системы. Мультипроцессирование – это взаимодействие процессоров через общую память и средства межпроцессорных обменов. Основу мультипроцессирования составляют: общая разделяемая память; межпроцессорное взаимодействие; синхронизация часов. Largest z900 has 16 CPUs (model 216) Largest z990 has 32 CPUs (model D32) Largest z9 EC has 54 CPUs (model S54) Shared main storage Prefix area unique for each CPU Shared data must be updated interlocked by special instructions: – TEST AND SET (antique) – COMPARE AND SWAP – PERFORM LOCKED OPERATION CPUs communicate via SIGNAL PROCESSOR instruction (SIGP) and external interrupts

Дополнительные средства мультипроцессирования Дополнительными средствами являются внешние прерывания. Канальная подсистема, включая все подканалы, в мультипроцессорной конфигурации может быть доступна всем процессорам. Прерывания по вводу-выводу являются плавающими, то есть могут быть обработаны любым процессором.

Реализация мультипроцессирования Разделяемая память - обращение нескольких процессоров в одни и те же ячейки, определяемые одним и тем же абсолютным адресом. Адрес процессора в системе, присваиваемый каждому процессору при инсталляции системы и не изменяемый при ее реконфигурациях. Команда Signal Processor - основное средство взаимодействия процессоров путем сигнализации и получения ответа. В каждом процессоре предусмотрены средства для передачи, получения и выполнения приказов, а также формирования ответа для процессора, исполняющего команду Signal Processor. Адресуемый процессор формирует для процессора, исполняющего команду Signal Processor, код состояния.

Выделение памяти и префиксация Assigned Storage Locations and Prefixing

Механизм префиксации

Start-up Sequence for Multiprocessing Operating System Start on CPU 0, other CPUs are still stopped Issue SIGP order set architecture to switch CEC from ESA/390 to z/Architecture Allocate prefix area (assigned storage locations) for other CPUs Initialize restart new PSWs in prefix areas of other CPUs Issue SIGP orders set prefix to all other CPUs Issue SIGP orders restart to all other CPUs

Прерывания Прерывания процессора позволяют обеспечить быструю реакцию процессора при возникновении особых условий в самом процессоре, в подсистеме ввода-вывода, в других процессорах и вне системы. Прерывания допускаются только в режиме РАБОТА, за исключением прерывания для рестарта, которое может быть выполнено в режимах РАБОТА или СТОП. Инициируются прерывания запросами от устройств, в которых возникают условия прерываний.

Классы прерываний 1. Прерывание по вызову супервизора 2. Программные прерывания 3. Прерывания от схем контроля 4. Внешние прерывания 5. Прерывания ввода- вывода 6. Прерывание рестарта There are six classes of interrupts: – Supervisor call – Program – Machine check – External – Input/output – Restart Each class is associated with a pair of old/new PSWs in the assigned storage locations

Код прерываний Причина прерывания внутри класса уточняется кодом прерывания этого класса, который в процессе прерывания заносится в отдельную область памяти, закрепленную за данным классом. В зависимости от класса длина кода прерывания может быть 16, 32 или 64 бита. Код прерывания используется прерывающей программой для определения процедуры, выполнение которой необходимо для обработки прерывания.

Класс прерываний = область памяти

PSW в выделенном месте памяти

Адреса размещения PSW, кодов и масок прерываний Классы Прерыван ий Адреса памяти для размещения PSW Маска прерываний Адреса памяти для кода прерывания Стар о е Новоев PSWв управляющих регистрах Внешние CR0[48-50, 52-54, 57, 59] Ввода- вывод а CR6[32-39] От схем Контроля CR14[35-39] Програм мные CR0[33], CR1[57], CR8[32-47], CR9[32-36], FPC? Рестарта Вызов супервизора

Механизм приоритетов запросов на прерывание Прерывания обрабатываются в следующем порядке: прерывание по вызову супервизора; программные прерывания; прерывания от схем контроля, допускающие отложенную обработку; внешние прерывания; прерывания ввода-вывода; прерывание рестарта.

Старые и новые PWS

Функционирование процессора

Исполнение команд Основной функцией процессора является выборка и исполнение команд, включая выборку и сохранение операндов. Биты 31, 32 текущего PSW определяют разрядность формируемых эффективных адресов: 24, 31 или 64 разряда. Адреса команд задаются из программного счетчика, размещенного в поле слова состояния программы PSW (разряды 64 ÷ 127 или 33 ÷ 63). Адрес очередной команды определяется путем увеличения адреса текущей команды в поле PSW на длину выбранной команды, либо из команд переходов. Адреса операндов формируются с использованием различных полей адресных частей команд: R, B, X, D, I, L, M. При формировании адресов обращений в ОП используется 64- разрядный формат, но число используемых разрядов определяется режимом адресации.

Исполнение команд Исполнение команд программы должно быть в их концептуальной последовательности. Очередная команда может быть выбрана и исполнена после завершения действий, связанных со всеми предшествующими командами. В режимах реального, главного и вторичного АП Текущая команда может модифицировать очередную команду На практике действительная последовательность выборки команд и операндов может не совпадать с концептуальной. Из-за необходимости распараллеливания процессов выборки и исполнения команд в каждом процессоре, а также с взаимного влияния процессоров, работающих с общей памятью. В режимах с регистрами доступа и базового АП Модификация очередной команды текущей командой недопустима

Система блокировок обращений Цели: - сохранение концептуальной последовательности исполнения команд в процессорах - Исключение ситуаций, когда в памяти имеются промежуточные значения операндов, доступных другим абонентам из-за фрагментарного выполнения команды

Механизм блокировок обращений Основан на сравнении эффективных адресов, формируемых процессором для обращения в память. При совпадении адресов, связанных с одной или несколькими соседними командами, может быть выполнена блокировка. Сравниваемые эффективные адреса являются виртуальными и их совпадение не обязательно означает обращение в одну и ту же ячейку памяти Разные виртуальные адреса могут соответствовать одной и той же ячейке реальной памяти.

Сериализация (Serialization) Под сериализацией понимается завершение всех обращений в память, концептуально предшествующих точке сериализации Сериализацию могут вызвать: –Выполнение прерывания, –Сброс процессора или –Выполнение определенных команд

Выборка команд из памяти Включает чтение 1 ÷ 3 полуслов по адресу из текущего PSW Допускается выборка команд как операндов, заданных в адресной части исполняемой команды. Допускается предварительная выборка команд, сброс которых выполняется при сериализации, вкл/выкл DAT и в других случаях

Варианты завершения исполнения команд: 1. Окончание Completion 2. Подавление исполнения команды Suppression 3. Аннулирование команды Nullification 4. Прекращение выполнения команды Termination

Обобщенный формат строки таблицы трассировки 1÷12 бит 2÷142 байт Идентификатор типа трассировки Поля сохраняемых параметров Для адресации таблицы трассировки используется реальный адрес текущей строки, находящийся в управляющем регистре CR12. В этом же регистре указываются четыре управляющих бита разрешения перечисленных выше функций трассировки.

Трассировка включает реализацию 4-х функций : Трассировка переходов Трассировка ASN Трассировка режимов Прямая трассировка Неявная трассировка Прямая трассировка

Регистрация программных событий (PER) Применяется для регистрации информации о программных событиях, которая может использоваться в процессах отладки программ. Программные события: Выполнение команды перехода при успешных условиях перехода. Выборка команд из определенной области памяти. Изменения содержимого определенной области памяти. Выполнение команды записи в реальное адресное пространство (STORE USING REAL ADDRESS).

Регистрация программных событий Управление регистрацией PER-событий CR9EMBS CR10Начальный адрес области памяти PER CR11Конечный адрес области памяти PER Процесс регистрации программных событий включается битом R в PSW для разрешения прерывания по записи программных событий

Адреса ячеек ОП ÷151 PERC000ATMIDAI ÷159 PER Address PAID

Производительность системы и PER Для отключения механизма PER в программе следует сбросить бит R в PSW и/или замаскировать регистрацию кодом EM в CR9