2.6. Базовые структуры систем ввода-вывода
Структура СВВ представляет собой совокупность взаимосвязанных внутренних и внешних интерфейсов (шин), посредством которых все устройства (модули) объединены в единую систему, называемую компьютером. Кроме того, в структуру СВВ входят устройства управления шинами и схемы организации процессов передачи информации при различных режимах ввода-вывода. К моменту появления микропроцессоров (МП), больших интегральных схем (БИС) и персональных компьютеров уже сформировались определенные принципы построения и структуры СВВ.
На Рис. 9 приведена структура СВВ многопроцессорной системы.
Рис. 9 .Структура СВВ многопроцессорной системы
Такая структура была характерна для больших компьютеров (мэйнфреймов) типа старших моделей IBM 360 (370), ЕС ЭВМ 1040 и 1060, которые работали в мультипрограммном режиме и имели мощные процессоры, сопроцессор, ОЗУ большой емкости и большое количество разнообразных ПУ (до 256). В ЭВМ такого типа использовалась многомагистральная структура с выделенными каналами ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением периферийных устройств. В таких ЭВМ, как правило, использовались два типа аппаратно реализованных каналов ввода-вывода. Мультиплексный канал, работает с низкоскоростными ПУ. Селекторный канал, обслуживает высокоскоростные ПУ.
Такая структура, ставшая классической для больших ЭВМ, позволяет максимально использовать вычислительные мощности за счет одновременного решения нескольких задач и параллельной работы процессора и каналов ввода-вывода.
В малых вычислительных машинах, которые были намного дешевле больших ЭВМ, СВВ строилась по одномагистральной структуре (Рис . 10) с распределенным каналом ввода-вывода и радиально-магистральным обменом с ПУ.
Рис . 10 . Одномагистральная структура
В таких ЭВМ мультиплексный канал отсутствовал, его функции выполнял процессор. В качестве селекторного канала применялся контроллер прямого доступа к памяти с ограниченными функциями канала.
2.7. Эволюция системы ввода в iвм - совместимых компьютерах
Первые персональные компьютеры РС IВМ строились на основе принципа «трех М» — модульности, микропрограммируемости и магистральности.
На Рис. 11, а приведена структура ПЭВМ, в которую входят следующие модули: микропроцессор (МП), ОЗУ, контроллер ввода вывода, периферийное устройство.
Рис.
11. Структура ПЭВМ
Модули такой ПЭВМ объединялись системными шинами XT-bus, а затем шиной ISA. Частота шины ISA не превышала 8—10 МГц. В таких ПЭВМ для обеспечения бесперебойной работы процессора было достаточно всего 4 миллиона обращений к памяти в секунду (цикл памяти 250 нсек). Этим условиям вполне удовлетворяла одношинная структура СВВ, когда все устройства компьютера, включая ОЗУ, общались с процессором через общую шину.
Наиболее распространенной системной шиной в этот период была сначала 8-разрядная, а затем 16-разрядная шина ISA, работающая на частоте 8—10 мГц. С ростом частоты работы МП и уменьшением времени доступа в ОЗУ 10-мегагерцовая шина ISA стала тормозом в компьютере. Решение было найдено в выделении канала передачи данных МП—ОЗУ в отдельную шину, построенную на базе внешнего интерфейса МП и изолированную от медленной шины ISA посредством контроллера шины данных (Рис. 11, 6). Эта «конструкция» позволила повысить производительность ЦП. Все ПУ продолжали взаимодействовать с ЦП через шину ISA. С дальнейшим ростом частоты работы МП тормозом в работе стало ОЗУ. Введение КЭШ-памяти уменьшило простой МП (Рис. 11, в).
По-прежнему все ПУ продолжали работу с МП и ОЗУ через системную шину ISA. К ней «присоединились» более скоростные шины ЕISА, МСА.
С введением в РС IВМ мультимедиа выявилось узкое место компьютера во взаимодействии ЦП и видеокарты. Для работы в режиме мультимедиа потребовалась пропускная способность системной шины более 100 мбайт/с. Шины ЕISА, МСА, iSА для этого не годились. Выход был найден введением новой шины — локальной шины VL-bus, а затем локальной шины РСI.
Справка: Шина РСI — независимая от процессора шина с частотой 33 МГц при 32-разрядных данных. Обеспечивает пропускную способность в 132 Мбайт/с. Системная шина ISA по прежнему используется в компьютерах. Это позволяет применять в новых компьютерах огромное количество ранее разработанных аппаратных и программных средств (Рис. 11 , г).
В такой системе ввода-вывода различные ПУ подключаются к разным шинам: медленные к ISA, высокоскоростные к РСI.
С появлением шины РСI стало целесообразным использовать высокоскоростные параллельные и последовательные интерфейсы ПУ - SCSI, АТА, USB.
Следует отметить, что структура, рассмотренная выше, по сути, возвращает нас к селекторному (РСI) и мультиплексному (ISA) каналам.