Отметим еще раз, что подмена номеров страниц производится очень быстро и делается полностью автоматически. Этот аппарат подмены номеров страниц позволяет в конечном итоге любой математической странице приписывать физический номер, а следовательно, дает возможность произвольным образом распределять реальную физическую память между математическими страницами путем изменения содержания регистровой памяти таблицы соответствия, или "приписки" таблицы.
Это открывает широкие возможности для динамического распределения и перераспределения ресурсов физической памяти между задачами, идущими в мультипрограммном режиме.
Аппарат защиты памяти, имеющий также очень важное значение для машин, работающих в мультипрограммном режиме, в БЭСМ-6 также тесно связан с постраничной организацией памяти. Каждая математическая страница может находиться в состоянии или закрытом, или открытом для чтения и записи чисел и команд. Аппаратно каждой странице ставится в соответствие триггер, указывающий ее состояние (открыта или закрыта по записи и чтению чисел); признаком защиты страницы по обращению за командами является код из всех нулей в строке таблицы соответствий. Тем самым в БЭСМ-6 защита по числам и по командам разделена. Это полезно для организации программ, обслуживающих несколько независимых задач.
Кроме аппарата защиты памяти в БЭСМ-6 существует аппарат защиты привилегированных команд. Ряд команд, с помощью которых можно изменять содержимое управляющих регистров, непосредственно воздействовать на внешние устройства и внешние каналы, связанные с машиной, могут выполняться только в "супервизорном" режиме, т. е. в режиме, в котором работает операционная система. Попытка выполнить привилегированную команду в обычной программе приводит к прерыванию и прекращению выполнения этой программы. Супервизорный и обычный режимы работы машины тем самым аппаратурно различаются, в супервизорном режиме допустимо выполнение всего репертуара команд машины, в обычном математическом режиме часть команд не может быть выполнена.
Защита памяти и привилегированных команд позволяет так организовать одновременное решение нескольких задач на машине, чтобы полностью исключить всякое влияние одних задач на другие. Как правило, почти во всех программах, первый раз пропускаемых на машине, содержатся ошибки, порой самые непредвиденные, и очень важно, чтобы эти ошибки не повлекли за собой отказ всей системы в целом или порчи соседних программ и задач. Система прерываний БЭСМ-6 построена следующим образом. В аппаратуре машины предусмотрен так называемый главный регистр прерываний (ГРП) и регистр маски (РМ).
За каждым разрядом ГРП закреплена функция сигнализации появления сигнала прерываний от конкретных внешних устройств или от вполне определенных ситуаций, сложившихся в центральном устройстве машины. Соответственно главный 48-разрядный регистр прерываний разделен на две половины. В первой его половине расположены сигналы прерываний, поступающие от внешних устройств, сигнализирующие об окончании обменов, о появлении информации на входных регистрах, пришедшей с внешних устройств и т.д. Во второй половине расположены разряды, сигнализирующие об особых ситуациях, возникших внутри машины, например о переполнениях на арифметическом устройстве, о попытке деления на нуль, о попытках обращения к закрытой странице за числами или за командами, о возникновении контроля при передачах слов и командной информации между памятью и арифметическим устройством. Внутренние прерывания имеют более старший приоритет по сравнению с прерываниями от внешних устройств.
Регистр маски, содержание которого может меняться определенными привилегированными командами, служит для того, чтобы позволить операционной системе на определенное время блокировать срабатывание схемы прерывания от внешних устройств, не требующих моментальной реакции на свои сигналы. Маска тем самым позволяет "закрывать глаза" на некоторые внешние прерывания. Это важно для организации программно управляемого приоритета обслуживания внешних запросов, и операционная система широко этим пользуется. Один из разрядов главного регистра прерываний связан с периферийным регистром прерывания и сигнализирует лишь о том, что на периферийном регистре появился где-то сигнал прерывания. Периферийный регистр связан с медленнодействующими внешними устройствами, сигналы от которых поступают достаточно редко. Как и главный регистр прерываний, периферийный регистр имеет свою маску, позволяющую блокировать появление прерываний, реагировать на которые в данный момент по какой-либо причине нежелательно. Таким образом, система прерываний БЭСМ-6 построена по иерархическому принципу. Кроме того, в машине существует несколько регистров, в разрядах которых появляется информация о текущем состоянии внешних устройств. Эту информацию в любой момент можно извлечь и уяснить, например, такие вещи: находится ли данное устройство или канал в исправном состоянии, включено ли данное устройство, подматывается ли магнитная лента и т. д. Главный регистр прерываний, периферийный регистр прерываний и регистры состояний позволяют вкупе машине БЭСМ-6 реагировать на 240 различных признаков, характеризующих состояние внешней среды и внутреннее состояние машины.
Как же происходит прерывание? Если в каком-либо разряде ГРП появился сигнал прерывания и в соответствующем разряде маски этот сигнал не заблокирован, текущая программа прекращает свое выполнение, и управление принудительно передается на некоторую фиксированную физическую ячейку памяти. Одновременно машина переводится в состояние супервизорного режима, отменяются все другие прерывания и в некоторых управляющих регистрах аппаратно запоминается состояние прерванной программы. Это состояние характеризуется номером команды, на которой произошло прерывание, и статусом прерванной программы, т. е. запоминается тот режим, в котором она выполнялась. Прерванная программа, например, могла выполняться, в свою очередь, в режиме супервизора или в обычном режиме, могла выполняться в режиме блокировки схемы приписки адресов или в режиме преобразования математических адресов в физические, наконец, могла выполняться в режиме экстракодов, о котором будет сказано несколько ниже, в режиме блокировки прерываний по переполнению арифметического устройства. Иными словами, при прерывании схемно запоминается тот минимум, который необходим для последующего возврата в прерванную программу. Блок управляющей программы, анализирующий причину прерывания и организующий обращение к соответствующему блоку реакции на данное прерывание, располагается, начиная с фиксированной ячейки, на которую передается управление. Можно сказать, что операционная система начинается с этой фиксированной ячейки.
Для того чтобы пояснить значение структурных особенностей БЭСМ-6, мы расскажем о том, как работают некоторые блоки диспетчера операционной системы, реагирующие на прерывания от внешних устройств, на прерывания по защите памяти, организующие таблицу соответствий, обеспечивающие переключение задач в мультипрограммном режиме. Эти блоки называют внутренними блоками диспетчера, они обычно принадлежат к резидентской части операционной системы и составляют основу ее ядра. Мы начнем с блока реакций на прерывания от внешних устройств. Как уже говорилось, при прерывании производится принудительная передача управления на фиксированную ячейку, как раз с этой ячейки и начинается программа реакции на прерывания, и начинается она блоком упрятывания.
Прежде всего в этом блоке производится пересылка содержимого сумматора (его старших и младших разрядов) в некоторые ячейки закрытой области памяти. Это делается для того, чтобы программы операционной системы могли свободно пользоваться сумматором, не заботясь о его сохранности. Затем производится пересылка значений двух индексных регистров в память с тем, чтобы сохранить то их содержание, которое было им придано прерванной задачей, и тем самым дать возможность программам операционной системы пользоваться этими индексными регистрами для своих целей. Далее на сумматор считывается содержимое главного регистра прерываний, отыскивается номер самого старшего разряда, давшего прерывание, и по этому номеру производится передача управления по переключателю на блок, реагирующий именно на прерывание с данным номером. Например, если оказалось, что номер самого старшего разряда равен 3, то это означает, что закончился обмен по магнитному барабану и управление передается на специальный блок, занимающийся обработкой прерываний по концу обмена. Если номер оказался равным 1, то это означает наступление момента, когда можно выдавать некоторый символ на строку печати, и передача управления происходит на соответствующий блок, организующий выдачу строки символов на печатающее устройство. Процедура упрятывания, сохранения необходимой информации и передачи управления на соответствующий блок реакции отнимает у центрального процессора около 23 мксек.
Несмотря на то, что это время кажется не очень большим, оно ставит некоторые ограничения на максимально допустимую частоту поступающих прерываний, с которыми могут справиться процессор и операционная система. Поэтому очень важно оптимизировать по времени работу блоков операционной системы, идущих с закрытым прерыванием. Как мы знаем, при прерывании машина переводится в супервизорный режим, в состояние с запрещением дальнейшего прерывания и с блокировкой схемы "приписывания" адресов. Для того чтобы не потерять, точнее, не упустить время реакции на другие прерывания, которые могут возникнуть в момент работы центрального процессора в этом режиме с "закрытыми глазами", нужно заботиться о том, чтобы как можно скорее "открыть" прерывания.