Архитектура компьютера
Лекция 15
Параллелизм. Кооперативная многозадачность. Вытесняющая многозадачность. DMA. Изоляция 并行性。 协作多任务处理。 抢占式多任务处理。 DMA。 绝缘
Пенской А.В., 2022
План лекции
- Параллелизм. Параллелизм уровня задач
- Кооперативная многозадачность (Cooperative multitasking)
- Вытесняющая многозадачность (Preemptive multitasking)
- Система прерываний
- Watchdog Timer
- Система прерываний. Ввод-вывод. SPI. Варианты
- Система прерываний
- Прямой доступ к памяти (DMA)
- 并行性。 任务级并行性
- 协作多任务处理
- 抢占式多任务处理
- 中断系统
- 看门狗定时器
- 中断系统。 输入输出。 SPI。 选项
- 中断系统
- 直接内存访问（DMA）
Параллелизм уровня задач 任务级并行性
Проблема: архитектура процессора и надстроек не знала о параллелизме, не думала о нём и никак не была на него рассчитана.
问题：处理器和附加组件的架构不了解并行性，没有考虑并行性，也没有以任何方式为其设计。
Иначе: процессор не был рассчитан на то, что поток инструкций может закончиться.
否则：处理器的设计并未考虑到指令流可能结束的情况。
Пример из мира программирования: Green Threads.
编程世界的一个例子：绿色线程
Подробности – в конце раздела.
详细信息位于本节末尾。
Варианты параллелизма: 并行度选项：
- Кооперативная многозадачность (Cooperative Multitasking)
协作多任务处理 - Вытесняющая многозадачность (Preemptive Multitasking)
抢占式多任务处理
или истинная многозадачность
或真正的多任务处理
Кооперативная многозадачность (Cooperative Multitasking) 协作多任务处理
Многозадачность, при которой следующая задача выполняется, когда текущая задача явно объявит о готовности отдать процессорное время.
多任务处理，其中当“当前任务”明确宣布准备放弃 CPU 时间时，执行“下一个任务”。
- Активная программа получает всё процессорное время.
活动程序接收所有处理器时间。 - Фоновые – замораживаются.
背景被冻结。 - Приложение захватывает столько ресурсов процессора, сколько хочет.
应用程序可以根据需要获取尽可能多的CPU 资源。 - Все приложения делят процессор, передавая управление другим.
所有应用程序共享处理器，将控制权转移给其他应用程序。
Cooperative Multitasking. Подходы 协作多任务处理。 方法
Уровень реализации: 实施级别：
- OS: набор системных вызовов для приостановки задачи.
OS：一组用于挂起任务的系统调用。 - Virtual Machine / Run Time:
虚拟机/运行时间：event-loop
+callbacks
+closureyieldasync/await
- Через конечные автоматы
通过有限状态机
(см. “Программный ввод-вывод”)
Cooperative Multitasking. Применение 协作多任务处理。 应用
- Пакетный режим и медленный ввод-вывод (в мейнфреймах),
批处理模式和缓慢的I/O（在大型机上），
освободить процессор на время I/O
释放处理器的I/O时间 - Оптимизации систем, требующих частого переключения задач
需要频繁任务切换的系统的优化
(nginx vs. apache vs. node.js) - Простые встроенные системы, bare-metal программирование.
简单的嵌入式系统，裸机编程。
Cooperative Multitasking. Анализ 协作多任务处理。 分析
Преимущества CM 好处
- Отсутствие гонок. Точки передачи управления известны. Синхронизация не нужна.
禁止赛车。 控制传输点是已知的。 无需同步。 - Контроль за ресурсами со стороны приложения.
应用程序对资源的控制。
Недостатки CM
- Контроль за ресурсами со стороны приложения.
应用程序对资源的控制。 - Непредсказуемость длительности выполнения задачи (ошибка, злоупотребление). Риск зависания.
任务持续时间的不可预测性（错误、滥用）。 结冰的危险。 - Сложность интерактивных приложений. Балансировка ресурсов между потоками (разные авторы).
交互式应用程序的复杂性。 平衡线程之间的资源（各个作者）。
Вытесняющая многозадачность (Preemptive Multitasking) 抢占式多任务处理
(истинная многозадачность)
ОС передаёт управление между программами в случае завершения операций ввода-вывода, событий в аппаратуре компьютера, истечения таймеров и квантов времени, поступления сигналов.
当输入/输出操作完成、计算机硬件中的事件、定时器和时间片到期以及接收到信号时，操作系统在程序之间转移控制。
- Переключение процессов происходит буквально между любыми двумя инструкциями.
进程切换确实发生在任意两条指令之间 - Распределение процессорного времени осуществляется планировщиком.
处理器时间的分配由调度程序进行。 - Возможна “мгновенная” реакция на действия пользователя.
可以对用户操作做出“即时”反应
Preemptive Multitasking. Механизмы 抢占式多任务处理。 机制
- Механизм прерывания процесса – забрать процессор у задачи независимо от её желания.
中断进程的机制 - 让处理器脱离任务，无论其意愿如何。 - Механизм сохранения состояния задачи.
保存任务状态的机制。 - Механизм планирования (обычно ОС / ВМ / RunTime) – какой задаче отдать процессор.
调度机制（通常是OS / VM / RunTime） - 将处理器分配给哪个任务。 - Механизм переключения на следующую задачу.
切换到下一个任务的机制。 - Механизм взаимодействия между задачами.
任务之间交互的机制。
Offtopic: Checkpoint/Restore In Userspace, or CRIU
Preemptive Multitasking. Анализ 抢占式多任务处理。 分析
Преимущества PM
- Защищённость процессов и ОС друг от друга по ресурсам.
进程和操作系统在资源方面的相互安全性。 - Интерактивные системы (почти мгновенная реакция).
交互式系统（几乎瞬时响应）。
Недостатки PM
- Непредсказуемость момента переключения. Гонки. Синхронизация. Подробнее:
切换时刻的不可预测性。 种族。 同步。 更多细节：
The Problem with Threads. - “Тяжесть” потоков на уровне процессора.
处理器级别线程的“重量”。
Примечания: 笔记：
- Применение в системах реального времени.
实时系统中的应用。 - MapReduce (следующий слайд).
MapReduce
Question: Что происходит с контроллером, если он поделит на ноль?
问题：如果控制器除以零，会发生什么？
Система прерываний. Проблема 中断系统。 问题
В основе архитектуры фон Неймана лежат принципы:
冯·诺依曼架构基于以下原则：
- последовательного выполнения команд и возможности условного перехода;
命令的顺序执行和条件转换的可能性； - процессор будет “переваривать” последовательность команд без перерыва столько, сколько сможет;
处理器将尽可能长时间不间断地“消化”命令序列； - позволяет эффективно построить “число-дробилку”.
让您有效打造“数字粉碎机”。
Не всегда удобны, так как:
并不总是方便，因为：
- не позволяют эффективно работать с внешними событиями и устройствами ввода-вывода;
不允许您有效地处理外部事件和输入/输出设备； - не позволяют обрабатывать нештатные ситуации иначе, чем при помощи кодов ошибок или флагов (высокие требования к дисциплине разработки);
不允许使用错误代码或标志以外的方式处理异常情况（对开发纪律要求高）； - не позволяют независимо выполнять несколько потоков команд.
不允许多个命令线程独立执行。
Система прерываний (Interruptions) 中断系统
Позволяет сигнализировать процессору о том, что текущий поток управления должен:
允许您向处理器发出信号，表明当前控制线程应该：
- быть незамедлительно прерван;
立即被打断； - его состояние сохранено;
其状态为已保存； - управление передано по указанному вектору прерывания;
通过指定的中断向量转移； - по завершении выполнения обработчика прерывания управление должно быть возвращено исходному потоку управления с восстановлением состояния.
中断处理程序完成后，控制权必须返回到原始控制线程并恢复状态。
Система прерываний. Виды прерываний 中断系统。 中断类型
- Асинхронные (внешние, аппаратные). События от внешних аппаратных устройств. Могут произойти в произвольный момент относительно работы процессора. Например, от таймера, сетевой карты, нажатия клавиши.
异步（外部、硬件）。 来自外部硬件设备的事件。 可以在与处理器相关的操作的任何时间发生。 例如，来自定时器、网卡、按键。 - Синхронные (внутренние). События в процессоре. Пример: деление на ноль или переполнение стека, обращение к недопустимым адресам памяти, недопустимый код операции.
同步（内部）。 处理器中的事件。 示例：除以零或堆栈溢出、访问无效内存地址、无效操作码。 - Программные (частный случай синхронного). Инициируется исполнением специальной инструкции. Обращение к операционной системе. Элементы кооперативной многозадачности.
软件（同步的特例）。 由执行特殊指令启动。 访问操作系统。 协作多任务处理的要素。
Система прерываний. Виды 中断系统。 种类
- Решение о необходимости обработки:
关于处理的必要性的决定：- Маскируемые прерывания, которые возможно отключить через специальные регистры. К примеру: критическая секция.
可屏蔽中断，可以通过特殊寄存器禁用。 例如：临界区。 - Немаскируемые прерывания, которые нельзя игнорировать. К примеру: ошибка доступа к памяти, Watchdog таймер.
不可屏蔽中断不能被忽略。 例如：内存访问错误、看门狗定时器。
- Маскируемые прерывания, которые возможно отключить через специальные регистры. К примеру: критическая секция.
- Приоритизация прерываний. Приходит другое:
中断的优先级。 另一个来了：- Относительное прерывание (откладывается).
相对中断（延迟）。 - Абсолютное (прерываем прерывание).
绝对（中止中断）。
- Относительное прерывание (откладывается).
- Вид события:
活动类型：- По фронту (положительному или отрицательному).
沿着正面（正面或负面）。 - По уровню сигнала (требует “сброса”). Позволяет объединять прерывания через ИЛИ, но это Spurious Interrupts.
按信号电平（需要“重置”）。 允许对中断进行“或”运算，但这些是虚假中断。 - По сообщению (Message Signaled). Реализуется через очередь.
通过消息（消息信号）。 通过队列实现。 - По дверному звонку (Doorbell). Сигнализируется наступление прерывания, в то время как информация о нём сохраняется в условленном месте.
按门铃。 发生中断时会发出信号，而有关中断的信息则存储在指定位置。
- По фронту (положительному или отрицательному).
Система прерываний. Устройство 中断系统。 设备
- Обычно на аппаратном уровне (контроллер прерываний). Скорость критична.
通常在硬件级别（中断控制器）。 速度至关重要。 - Возможна и “потеря прерываний”, если количество заявок больше, чем возможно обработать.
如果请求数量大于可以处理的数量，“中断丢失”也是可能的。 - Обработчик прерываний по возможности компактен и быстр. Практика отложенных вызовов: фиксация отложенной процедуры, её запуск в обычном режиме.
中断处理程序尽可能紧凑且快速。 练习延迟调用：修复延迟过程，在正常模式下运行它。
Система прерываний. Watchdog Timer 中断系统。 看门狗定时器
Сторожевой таймер – аппаратно реализованная схема контроля над зависанием системы.
看门狗定时器是系统挂起控制电路的“硬件”实现。
A watchdog timer is an electronic or software timer that is used to detect and recover from computer malfunctions.
看门狗定时器是一种“电子或软件”定时器，用于检测计算机故障并从中恢复。
Система прерываний. Ввод-вывод. SPI 中断系统。 输入输出。 SPI
Варианты: 选项：
- Прерывание от двух сигналов: CS и SCLK (маскируется, если CS положительный).
来自两个信号的中断：CS 和 SCLK（如果 CS 为正则屏蔽）。 - Прерывание только от CS. Блокирует работу при передаче.
仅来自CS 的中断。 传输期间阻止操作。 - Прерывание от объединённых CS и SCLK:
来自组合 CS 和 SCLK 的中断：- работа с буфером внутри прерывания,
在中断内使用缓冲区， - при передаче данных доступ в буфер запрещён,
传输数据时，禁止访问缓冲区， - по завершении передачи основной поток получает доступ к буферу.
传输完成后，主线程可以访问缓冲区。
- работа с буфером внутри прерывания,
(программно-управляемый
ввод-вывод)
Прямой доступ к памяти 直接内存访问
Как уйти от программно-управляемого ввода-вывода?
如何摆脱软件控制的 I/O？
Прямой доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA). Позволяет процессору отдать команду на перенос данных контроллеру DMA, который её реализует независимо и уведомляет процессор о результатах через систему прерываний.
直接内存访问 (DMA)。 允许处理器发出命令传输数据到DMA控制器，DMA控制器独立实现并通过中断系统将结果通知处理器。
Другой вариант: каналы (процессоры) ввода-вывода. Позволяют процессору определить программу для взаимодействия с внешним устройством. ISA канала адаптирована для ввода-вывода (пример: автоматическая конвертация форматов). Сегодня применяется редко, раньше часто применялся в мэйнфрэймах.
另一种选择：I/O 通道（处理器）。 允许处理器定义与外部设备通信的程序。 通道 ISA 适用于 I/O（例如：自动格式转换）。 现在它很少被使用，以前它经常在大型机中使用。
Прямой доступ к памяти. Принцип работы 直接内存访问。 工作原理
- Third-party, где работа с DMA управляется полностью процессором, и любая передача данных должна инициализироваться им.
第三方，DMA 的工作完全由处理器控制，任何数据传输都必须由处理器初始化。 - Bus mastering, где работа с DMA управляется, в том числе и со стороны устройств ввода-вывода, что позволяет инициализировать передачу данных без участия процессора.
总线主控，控制 DMA 的工作，包括从输入/输出设备一侧，这允许您在没有处理器参与的情况下初始化数据传输。
Режим работы DMA. Взаимодействие с памятью DMA 操作模式。 与内存的互动
- Пакетный режим (Burst Mode). Передача данных осуществляется единой операцией, которая не может быть прервана процессором. Приоритет DMA.
突发模式。 数据传输是在单个操作中进行的，不能被处理器中断。 DMA 优先级。 - Циклический режим (Cycle stealing mode). Для процессора и DMA выделяется фиксированный слот времени в рамках цикла. Предсказуемый вариант.
**循环窃取模式。 处理器和 DMA 在周期内分配固定时隙。 可预测的选项。 - Прозрачный режим (Transparent Mode). Передача данных, когда процессор не взаимодействует с памятью. Приоритет процессора.
透明模式。 当处理器不与内存交互时传输数据。 处理器优先级。