Билет №29 Процессор ввода-вывода. Организация, функционирование

Для обеспечения выполнения операций ввода-вывода одновременно с работой в ЦП в ЭВМ используются устройства, которые называются периферийными процессорами или каналами ввода-вывода.

В зависимости от соотношения быстродействия ОП и ВУ в каналах ввода-вывода реализуется два режима работы: монопольный и разделения времени (мультиплексирования).

Монопольный режим.

После установки связи между каналом и ВУ последнее монополизирует канал на все время, пока полностью не завершится инициированная процессором канальная программа (цепочка операций) работы с данным ВУ и не будут произведены все предусмотренные этой программой передачи данных между ВУ и ОП. На все время выполнения данной канальной программы канал оказывается занятым для других ВУ. Обычно в этом режиме работают быстродействующие ВУ.

Режим разделения времени (режим мультиплексирования).

Несколько ВУ разделяют по времени канал ввода-вывода, при этом каждое их параллельно работающих с данным каналом ВУ связывается с каналом на короткие промежутки времени только после того, как ВУ подготовлено к приему или выдаче очередной порции информации (байта, группы байт). Промежуток времени, в течение которого происходит передача информации между каналом и подготовленным к этому ВУ может быть назван сеансом связи. Сеансы связи различных ВУ чередуются между собой. Во время сеанса связи одного из устройств с каналом ввода-вывода другие устройства могут выполнять работу, не требующую использования средств канала. В этом режиме работают медленные ВУ.

В соответствии с преимущественно реализуемым режимом работы различают каналы ввода-вывода мультиплексный, осуществляющий мультиплексирования ВУ, и селекторный, взаимодействующий с ВУ в монопольном режиме.

Селекторный канал

Предназначен для обслуживания одного или нескольких подсоединенных к нему высокоскоростных ВУ с целью выполнения канальной программы.

Структурная схема селекторного канала:

Адрес следующей канальной команды (управляющего слова) хранится в регистре адреса канальной команды РАКК. По этому адресу из памяти (предполагая, что канальная команда хранится в ОП, как это сделано в ЕС ЭВМ) выбирается управляющее слово канала, которое помещается на регистр канальной команды РКК. Выбор одного управляющего слова может быть произведен за одно обращение к ОП, если ширина выборки информации из памяти больше или равна 8 байтам, или за несколько обращений, при ширине выборке из памяти меньше 8 байт.

В том случае, если выбранная команда оказалась командой чтения, то с ВУ считывается блок информации, величина которого равна ширине информационного тракта ВУ, и помещается на регистр данных команд РДК. Емкость РДК соответствует ширине выборки информации из памяти. Номер байта, начиная с которого помещается блок информации определяется по счетчику байтов СБ. По достижении значения содержимого СБ, равного числу байтов в РДК, СБ обнуляется, т.е. счетчик является кольцевым. Пересылка информации с ВУ в заданное место РДК обеспечивается с помощью коммутационной схемы КС. Для определенности положим, что ширина информационного тракта ВУ равна одному байту. Тогда, после пересылки очередного байта информации на РДК с РДУ увеличивается на единиц значение счетчика СБ и счетчика адреса, хранящегося на РКК (РКК(А)), а значения счетчика байтов, хранящаяся на РКК(РКК(С)), на 1 уменьшается. В случае, если РКК(С) и СБ равны 0, то с ВУ на РДК передается следующий байт информации. При равенстве нулю значения СБ происходит обращение к ОП по записи содержимого РДК, т.к. это означает, что регистр РДК полностью заполнен. При этом, для увеличения скорости обработки, в селекторном канале используется буферный регистр БР, в который пересылается содержимое РДК. После пересылки информации с РДК на БР, канал с ВУ начинает считывать новые порции информации и помещать их на РДК. Одновременно осуществляется запись данных с БР в ОП. В случае равенства нулю значения РКК(С), независимо от значения СБ, так же происходит запись содержимого РДК в ОП, т.к. массив в соответствии с текущим управляющим словом с ВУ полностью считан. При РКК(С) = 0 проверяется является ли текущее управляющее слово последним в канальной программе. Если управляющее слово является последним, т.е. обнаружен конец канальной программы, то в ЦП посылается запрос на прерывание по вводу-выводу. Если же обнаружен признак цепочки данных, то и ОП по РАКК считывается следующее управляющее слово. При этом код операции не изменяется и остается прежним.

Если выбранная на РКК канальная команда оказалась командой записи, то из ОП через БР на РДК считывается блок информации, равный по величине ширине выборки информации из памяти. Так же, как и при выполнении операции «чтение» регистр БР позволяет увеличить скорость обработки в селекторном канале. При этом одновременно с разгрузкой регистра РДК и записью информации на ВУ происходит считывание данных из ОП на БР. После выбора информации из памяти на РДК происходит разгрузка РДК. При считывании 1 байта с РДК на ВУ, в случае ширины информационного тракта ВУ, равной 1 байту, значения СБ и РКК(А) на 1 увеличиваются, а значение РКК(С) на 1 уменьшается. Если РКК(С) и СБ на равно 0, то происходит считывание с РДК следующего байта информации. При равенстве 0 значения СБ и неравенстве 0 значения РКК(С) происходит обращение в ОП по считыванию новой порции информации через БР в РДК, т.к. это означает, что данные полностью считаны из РДК на ВУ. В случае равенства 0 значения РКК(С), т.е. это соответствует тому, что массив полностью считан из ОП и записан на ВУ, проверяется признак в управляющем слове. При наличии признака «конец канальной программы» формируется запрос на прерывание в ЦП по вводу-выводу. При наличии признака «цепочка данных» из ОП по РАКК выбирается следующее управляющее слово, включая код операции.

Отметим, что при выполнении команд чтения и записи адрес ВУ, с которым в данный момент работает канал, находится на регистре внешнего устройства РВУ.

Мультиплексный канал

Мультиплексный канал предназначен для одновременного обслуживания нескольких ВУ, каждое из которых работает в соответствии с отдельной канальной программой. Аппаратные средства мультиплексного канала можно разделить на 2 части: средства предназначенные для обслуживания отдельных ВУ и средства используемые всеми ВУ. Средства предназначенные для обслуживания одного ВУ, называется подканалом. Подканал представляет собой запоминающее устройство. Будем считать, что память подканалов реализована как часть ОП:

Во время сеанса связи с ВУ канал из соответствующего подканала выбирает текущие параметры операции и помещает их на схемы, являющиеся общими для всех ВУ. Канал осуществляет передачу информации между ВУ и ОП и корректирует текущие параметры операции. Во время сеанса связи с одним ВУ пересылается один или несколько байтов информации, соответствующих ширине информационного тракта ВУ. После пересылки информации и коррекции текущих параметров измененные параметры перемещаются в память подканалов, а канал осуществляет сеанс связи с другими ВУ.

Процедура канальной выборки производится по инициативе ОП и связана с заданием работы ВУ. Центральный процессор на РАКК передает адрес первой канальной команды, в соответствии с которым на РКК и памяти выбирается канальная команда (управляющее слово канала). Содержимое РАКК увеличивается на 8 (т.к. в ЕС ЭВМ длина канальной команды равна 8 байт). В счетчик байтов СБ устанавливается номер байта, в который или из которого в РДК будет переслан первый байт информации. Канал запускает в работу ВУ, номер которого в канал передается так же из ЦП. После этого в память подканала, соответствующую данному ВУ, записывается содержимое РКК, РДК, СБ и РАКК. На этом процедура начальной выборки заканчивается. Процедура начальной выборки производится за один сеанс связи. В ряде случаев эта процедура может окончиться безуспешно, тогда канал, соответствующий адресуемому, ВУ не образуется (например при возникновении ошибки.

Процедура обслуживания запросов ВУ производится по инициативе ВУ и, как правило, занимает несколько сеансов связи. Запрос от ВУ фиксируется на РВУ, из соответствующего подканала выбираются параметры операции и помещаются на регистры: РКК, РДК, СБ и РАКК. В соответствии с кодом операции, хранящимся на РКК, из ВУ (или в ВУ) пересылается блок информации, величина которого равна ширине информационного тракта ВУ. Номер байта в РД начиная с которого выбирается или принимается блок информации определяется по СБ. После пересылки информации содержимое СБ корректируется. Счетчик байтов является кольцевым счетчиком. По достижении значения СБ, равного числу байтов в РДК, СБ сбрасывается в 0. Положим, что ширина информационного тракта ВУ равна одному байту, тогда после приема или передачи одного байта на РДК на единицу увеличивается значение счетчика адреса, хранящегося на РКК(РКК(А)) и на единицу увеличивается значение счетчика байтов РКК(С).

В том случае, если значения РКК(С) и СБ равны 0, то происходит перезапись измененных параметров в память подканалов и сеанс связи с ВУ заканчивается. При выполнении операции чтения информации с ВУ и равенстве 0 значения РКК(С) из РДК данные записываются в ОП и в соответствии со значением РАКК из ОП выбирается либо следующая канальная команда, если был признак цепочки команда, либо следующее управляющее слово, являющееся продолжением предшествующей команды, если был признак цепочки данных. При указании признака цепочки данных в отличии от цепочки команд на РКК после выбора нового управляющего слова или кода операции не изменяется. При наличии признака цепочки команд на РКК помещается новая канальная команда с новым кодом операции. В том случае, если РКК(С) не равно 0, а СБ равен 0, то это означает, что РДК полностью заполнен, информация считывается из РДК в ОП (величина РДК выбирается равной ширине выборки информации из памяти). Сеанс связи в случае равенства 0 РКК(С) либо заканчивается занесением измененных параметров в память подканалов.

При выполнении операции записи информации на ВУ и равенстве 0 значения РКК(С) в соответствии со значением РАКК из ОП выбирается либо следующая канальная команда, если был признак цепочки команд, либо следующее управляющее слово, если был признак цепочки данных. Также в этом сеансе связи выбирается блок информации из ОП помещающийся в РДК с тем, чтобы в следующем сеансе связи можно было продолжить операцию записи на ВУ с РДК. В случае равенства 0 СБ и неравенства 0 РКК(С) это означает, что данные, помещенные на РДК, записаны на ВУ. Поэтому из ОП в соответствии с РКК(А) выбирается новый блок информации, который помещается на РДК. Сеанс связи при выполнении операции записи в случае равенства 0 РКК(С) дибо СБ заканчивается… дальше несколько строчек написано ОЧЕНЬ неразборчиво в лекциях я этого найти не смог….

Байт-мультиплексный канал

Это канал, в котором мультиплицирование разрешено между байтами. Он может работать как в монопольном, так и в мультиплексном режимах. В монопольном режиме только одно устройство может передавать данные через канал. В мультиплексном режиме канал способен обслуживать несколько ВУ, каждое по своему подканалу. Мультиплексирование в процессе передачи данных – побайтное.

Блок-мультиплексный канал

Это канал, в котором мультиплексирование разрешено между блоками. Этот канал так же как и байт-мультиплексный канал может работать в монопольном режиме и в мультиплексном режиме. Передача одного блока данных происходит в монопольном режиме, операции не связанные с передачей данных происходят для нескольких устройств в мультиплексном режиме. Так же в режиме мультиплексирования канал при выполнении одной канальной программой операции не связанной с передачей данных, может переключаться на выполнение операции передачи данных для другой канальной программы.

Байт-мультиплексный и блок-мультиплексный каналы имеют ряд подканалов (десятки, сотни).

Формат канальной команды ЕС ЭВМ

Код команды операции занимает байт 0. Следующие три байта (1-3) содержат адрес ОП первого байта массива данных. Длина поля соответствует максимальному объему ОП 2 24 байт. Байт 5 игнориру­ется и может содержать любую информацию. Последние два байта (счетчик) задают длину пересылаемого массива в байтах. Наименова­ние этого поля объясняется организацией работы канала при выпол­нении канальной команды типа "чтение". Как только передан один байт, счетчик уменьшается на I, а адрес памяти увеличивается на I, тем самым, определяя адрес ячейки ОП, куда должен будет помещен очередной байт. Передача данных заканчивается, когда содержимое счетчика станет равным нулю.

Байт 4 содержит следующие признаки.

• Бит 32 - признак цепочки данных. Если этот бит установлен в I, то после того как выполнится текущая команда (счетчик станет равен нулю), будет выбрана новая команда, которая заменит содер­жимое всех полей за исключением кода операции, и продолжится вы­полнение прежней операции.

• Бит 33 - признак цепочки команд. Если этот бит равен I, то после того, как счетчик станет равный нулю, будет выбрана новая команда, заменяющая полностью старую команду, выполнение каналь­ной программы будет продолжено.

• Если в обоих битах 32 и 33 команды указан 0, то эта команда является последней в канальной программе. Бит 34 - признак блоки­ровки нестандартной длины информации. Если он равен I, то сигнал об ошибке игнорируется:

• Бит 35 - признак блокировки записи в память. Если этот бит равен I, то во время чтения байты посылаются в конец, но в ОП не записываются.

• Бит 36 - признак программно-управляемого прерывания.

• Биты 37, 38 и 39 не используются, но должны быть равны нулю.

Байт 5 игнорируется и может содержать любую информацию.

Байты 6,7 – счетчик, задают длину пересылаемого массива в байтах, При передаче одного байта, счетчик уменьшается на 1, а адрес памяти увеличивается на 1, тем самым определяя адрес ячейки в ОП (при записи или чтении).