5. Организация системы ввода-вывода в эвм

5.1. Назначение и основные требования к системе ввода-вывода эвм

Назначение системы ввода-вывода– это обеспечение взаимодействия центральной части машины с внешней средой (пользователи, устройства, процессы), которое реализуется периферийными (или внешними) устройствами (ПУ или ВУ).

Связь процессора с периферийными устройствами осуществляется:

1. Через аккумулятор (регистр общего назначения).

2. Через оперативную память.

Оперативная память может непосредственно взаимодействовать с внешним устройством (ВУ) в режиме прямого доступа в память (ПДП).

Основные проблемы ввода-вывода.

1. Существует большое количество ВУ с различными параметрами:

1. По скорости передачи данных.

2. Формату передачи данных (устройства последовательного, параллельного представления информации и т.д.).

3. Различным размерам передаваемых данных (биты, байты, слова, блоки, секторы).

4. Количеству выполняемых функций (чтение, запись, перемотка, подсчет, измерение).

2. Различные скорости работы центральной части машины и ВУ (требуется многоуровневая буферная память).

3. Асинхронность работы центральной части машины и ВУ (согласование операций в устройствах).

Требования к системе ввода-вывода

1. Гарантировать эффективное согласование центральной части машины и ВУ с целью достижения максимальной производительности.

2. Обеспечение распределения ВУ между одновременно выполняемыми задачами в системе (большинство машин работают в многозадачных режимах).

3. Обеспечение управления каждым конкретным внешним устройством.

4. Обеспечение дружественного интерфейса с пользователем.

5.2. Архитектура систем ввода-вывода

Существует два основных способа организации системы ввода вывода.

1. Прямой ввод-вывод (рис. 5.1).

2. Косвенный (канальный) ввод-вывод (рис. 5.2).

1 ОП

Системная шина

ЦП

2

ОП Контроллер ВУ Контроллер ВУ

ВУ ВУ1 ВУ2 ВУ3

Механизм

Носитель информации

Рис.5.1

При прямом вводе-выводе работа внешних устройств и памяти управляется центральным процессором, и все они подключаются к одной системной шине, при этом в зависимости от варианта подключения памяти может быть: в случае 1 – одно пространство адресов памяти и портов внешних устройств, а в случае 2 – отдельные адреса обращения к памяти и внешним устройствам. Процесс взаимодействия внешних устройств и центральной части машины определяется интерфейсом ввода вывода, под которым понимается совокупность сигналов, линий связи и алгоритмов управления, обеспечивающих заданный протокол взаимодействия внешних устройств и процессора. Под протоколом понимается последовательность формирования прямых и квитирующих сигналов взаимодействия (ответный сигнал называется квитирующим).

ВУ1 ВУ2 ВУ3 ВУ4

Контроллер 1 Контроллер 2

Канал 1

(Мультиплексный)

ЦП ОП

Канал 2 Контроллер ВУ

(Селекторный)

Рис. 5.2

На рис 5.2 показан процесс ввода-вывода по способу, называемому канальным.

Каналы делятся на следующие.

1. Мультиплексные (обслуживают много ВУ, но медленных).

2. Селекторные (обслуживают мало ВУ, но быстродействующих).

Отличительная особенность канального ввода-вывода - процессор освобождается от управления внешними устройствами, функция процессора заключается в инициализации запуска канальных программ и завершении операции ввода-вывода, выполняемой с помощью канала, по соответствующему признаку из канала (по существу это многопроцессорная система).

Состав и сравнение функций контроллеров и каналов

Контроллер

1. В текущий момент времени он выполняет одну команду ввода-вывода, получаемую от процессора или канала, и одновременно обслуживает одно внешние устройство.

В его функции входит:

1. Опознание своего адреса выборки.

2. Подтверждение готовности внешних устройств.

3. Управление операцией во внешнем устройстве.

4. Согласование форматов данных.

5. Согласование скоростей передачи (буферизация).

6. Фиксация момента и характера операции ввода-вывода.

Контроллер должен содержать:

1. Селектор адреса (логическая схема, выдающая разрешающий сигнал на один адрес).

2. Регистры управления (содержит команду) и состояния. Состояния характеризуются следующими битами: DONE,BUSY,ERROR, часто применяются биты приоритета.

3. Буферные регистры данных, которые служат для согласования форматов и скоростей передачи.

Канал

1. Выполняет целую канальную программу из многих команд.

2. Допускает одновременное управление несколькими внешними устройствами.

В его функции входит:

1. Опознание своего адреса и подтверждения готовности.

2. Прием команд процессора, инициализирующих работу канала, и нахождения в памяти своей канальной программы.

3. Поиск контроллера и внешнего устройства, участвующего в операции, и проверки их готовности.

4. Запуск канальной программы и управление обменом.

5. Сообщение центрального процессора о завершении операции и всей программы.

Канал представляет собой специализированный процессор с расширенными управлениями, и ограниченный арифметическими возможностями.