Лекции по ПУ2 (Лекции по ПУ)

21

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА ЭВМ

Передача информации с периферийного устройства в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода.

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения - интерфейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность вычислительной машины.

При разработке систем ввода-вывода должны быть решены следующие проблемы:

1) Должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования.

2) Для эффективного использования оборудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.

3) Необходимо стандартизировать программирование операций ввода-вывода для обеспечения их независимости от особенностей периферийного устройства.

4) Необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность устройства, различные неисправности и т.п.).

При конструировании ЭВМ широко применяются различные средства унификации.

Средства вычислительной техники проектируются на основе модульного принципа, который заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей, из которых можно собирать ЭВМ в различных конфигурациях.

При обмене межд ПУ и ЭВМ используются унифицированные форматы данных. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ.

Унификации также подвергают все компоненты интерфейса, а также формат и набор команд процессора для операций ввода-вывода.

Унификация распространяется на семейство моделей ЭВМ.

Для обеспечения параллельной работы процессора и периферийных устройств схемы управления вводом-выводом отделяют от процессора.

Выполнение общих функций возлагают на общие для групп периферийного оборудования унифицированные устройства - контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры ввода-вывода.

ПРЯМОЙ ДОСТУП К ПАМЯТИ

В системах ввода-вывода ЭВМ используются два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти.

Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора, который при этом выполняет специальную подпрограмму процедуры ввода-вывода. Данные между памятью и периферийным устройством пересылаются через процессор. Операция ввода - вывода инициируется текущей командой программы или запросом прерывания от периферийного устройства. При этом процессор на все время выполнения операции ввода-вывода отвлекается от выполнения основной программы.

Кроме того при пересылке блока данных процессору приходится для каждой единицы передаваемых данных выполнять несколько команд, чтобы обеспечить буферизацию, преобразование форматов данных, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п. Это сильно снижает скорость передачи данных (не выше 100 Кб/сек), что недопустимо при работе с высокоскоростными ПУ.

Между тем потенциально возможная скорость обмена данными при вводе-выводе определяется пропускной способностью памяти. Для быстрого ввода-вывода блоков данных используется прямой доступ к памяти.

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечивающий независимую от процессора передачу данных между памятью и периферийным устройством.

Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП, который выполняет следующие функции:

1) управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОП и ПУ;

2) задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче;

3) формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче;

4) подсчет числа переданных единиц данных (байт или слов) и определение момента завершения операции ввода-вывода.

Указанные функции реализуются контроллером ПДП с помощью одного или нескольких буферных регистров, регистра - счетчика текущего адреса данных и регистра-счетчика подлежащих передаче данных.

При инициировании операции ввода-вывода в счетчик подлежащих передаче данных заносится размер передаваемого блока (число байт или слов), а в счетчик текущего адреса - начальный адрес области памяти, используемой при передаче. При передаче каждого байта содержимое счетчика адреса увеличивается на 1, при этом формируется адрес очередной ячейки памяти, участвующей в передаче. Одновременно уменьшается на 1 содержимое счетчика подлежащих передаче данных; обнуление этого счетчика указывает на завершение передачи.

Контроллер ПДП обычно имеет более высокий приоритет в занятии цикла обращения к памяти по сравнению с процессором. Управление памятью переходит к контроллеру ПДП, как только завершается цикл обращения к памяти для текущей команды процессора.

Прямой доступ к памяти обеспечивает высокую скорость обмена данными за счет того, что управление обменом производится не программными, а аппаратными средствами.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА

Можно выделить два характерных принципа построения систем ввода-вывода: ЭВМ с одним общим интерфейсом и ЭВМ с множеством интерфейсов и процессорами (каналами) ввода-вывода.

Структура с одним общим интерфейсом

Структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины, к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ: процессор, оперативная и постоянная память и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присоединенных к ней модулей. Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор выступает как один из модулей системы.

Периферийные устройства подсоединяются к общей шине с помощью блоков управления периферийными устройствами (контроллеров), осуществляющих согласование форматов данных периферийных устройств с форматом, принятым для передачи по общей шине.

Если в периферийном устройстве операции ввода - вывода производятся для отдельных байт или слов, то используется программно-управляемая передача данных через процессор и под его управлением. Конструкция контроллера при этом сильно упрощается.

Для перифериийных устройств с поблочной передачей данных (ЗУ на дисках, лентах и др.) применяется прямой доступ к памяти и контроллеры ПДП.

При общем интерфейсе аппаратура управления вводом-выводом рассредоточена по отдельным модулям ЭВМ. Процессор при этом не полностью освобождается от управления операциями ввода-вывода. Более того, на все время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с памятью блокированной.

Интерфейс с общей шиной применяется только в малых и микро-ЭВМ, которые имеют короткое машинное слово, небольшой объем периферийного оборудования и от которых не требуется высокой производительности.

Структура с каналами ввода-вывода

Структура системы с процессорами (каналами) ввода-вывода применяется в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода-вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом-выводом на основе применения программно-управляемых процессоров (каналов) ввода-вывода. Обмен информацией между памятью и периферийным устройством осуществляется через канал ввода-вывода.

Каналы ввода - вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода-вывода.

В вычислительной машине с каналами ввода-вывода форматы передаваемых данных неоднородны, поэтому неоходимо использовать в ЭВМ несколько специализированных интерфейсов.

Можно выделить 4 типа интерфейсов: интерфейс основной памяти, интерфейс процессор-каналы, интерфейсы ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы).

Через интерфейс основной памяти производится обмен информацией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами - с другой.

Интерфейс процессор-каналы предназначается для передачи информации между процессорами и каналами ввода-вывода.

Через интерфейс ввода-вывода происходит обмен информацией между каналами и блоками управления периферийных устройств.

Интерфейс периферийного устройства служат для обмена данными между периферийным устройством и его блоком управления. Унификации малые интерфейсы не поддаются, так как ПУ весьма разнообразны по принципу действия, используемым форматам данных и сигналам.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИНТЕРФЕЙСОВ

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

1) Пропускная способность интерфейса - это количество информации, которое может быть передано через интерфейс в единицу времени (имеет диапазон от десятков байт до сотен мегабайт).

2) Максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс (от десятков герц до сотен мегагерц).

3) Максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами (имеет диапазон от десятков сантиметров до нескольких километров при использовании оптоволоконных линий).

4) Динамические параметры интерфейса: время передачи отдельного слова и блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи. Эти параметры особенно важны для систем реального времени.

5) Общее число линий (проводов) в интерфейсе.

6) Информационная ширина интерфейса - число бит данных, передаваемых параллельно через интерфейс. Различные интерфейсы имеют ширину 1, 8, 16, 32, 64, 128 или 256 бит.

7) Связность интерфейса: интерфейс может быть односвязным, когда существует лишь единственный путь передачи информации между парой устройств машины, и многосвязным, позволяющим устройствам обмениваться информацией по нескольким независимым путям. Многосвязность интерфейсов требует дополнительной аппаратуры, но повышает надежность и живучесть вычислительной машины, обеспечивает возможность автоматической реконфигурации вычислительного комплекса при выходе из строя отдельных устройств.

КАНАЛЫ ВВОДА-ВЫВОДА

Для того, чтобы операции ввода-вывода выполнялись параллельно с выполнением вычислений, необходимо освободить процессор от управления операциями обмена информацией между периферийными устройствами и памятью. Эта задача возлагается на процессоры ввода-вывода (каналы), управляемые канальными программами.

Процессор должен только выполнить инициирование операции ввода-вывода, задать номера канала и периферийного устройства, участвующих в операции, и код выполняемой операции.

Канал должен обеспечивать прямой доступ к памяти, осуществлять буферизацию и преобразование форматов передаваемых данных для согласования работы оперативной памяти и периферийного устройства. Поэтому в состав канала, кроме специального процессора и ПЗУ программ, входит контроллер ПДП и буферное ОЗУ (реально все эти компоненты могут быть раэмещены в одной микросхеме).

Для извещения процессора об окончании каждой операции ввода-вывода, а также о возникновении ошибок, канал формирует запросы прерываний.

Кроме того, канал может выполнять ряд дополнительных функций для минимизации участия процессора в операциях ввода-вывода:

1) Организация цепочки блоков данных: если данные в памяти состоят из нескольких массивов, произвольно размещенных в памяти, то канал должен допускать задание цепочки блоков, чтобы не отвлекать основной процессор после передачи каждого блока.

2) Организация выборочного чтения информации: иногда необходимо вводить с носителя информации отдельные части некоторого массива, пропуская ненужные данные.