35. Особенности и принципы организации обмена информацей с периферийными устройствами

Напомним, что в самом общем виде компьютер можно представить в виде трех основных функциональных частей.

• Центральный процессор ЦП.

• Основная электронная память ОП.

• Периферийные устройства ПУ.

Совокупность ЦП и ОЗУ часто называют ядром компьютера.

Центральный процессор осуществляет реализацию операций обработки и пересылки информации, предусмотренные системой команд компьютера, а также общее управление компьютером в целом.

Основная электронная память предназначена для оперативного хранения информации в компьютере: ядра операционной системы, основных утилит, задач прикладного программного обеспечения, а также для долговременного хранения BIOS, тестовых процедур и некоторых таблиц и констант.

Периферийные устройства представляют собой совокупность устройств, предназначенных для хранения, ввода и вывода больших объемов информации, формируемые или используемые внешними по отношению к ядру компьютера объектами.

Связь между этими основными устройствами компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие и, в конечном счете, нормальную работу компьютера в целом, осуществляется с помощью, так называемых интерфейсных устройств.

Под интерфейсом (Interface) понимается совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих эффективную связь между двумя или несколькими блокам или устройствами, и объединяющую их в некоторую систему.

Строго говоря, любой, достаточно сложный, интерфейс стандартизируется и должен рассматриваться на 3х уровнях.

• Механический интерфейс (провода, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.).

• Электрический интерфейс (схемы соединений, типы сигналов, их длительность, полярности, периоды повторения, амплитудные значения и т. п.).

• Программный интерфейс (протоколы взаимодействия, процедуры драйверов и т.д.).

В этом разделе мы кратко коснемся только общих принципов организации интерфейса с устройствами ввода/вывода информации в компьютер, на простейшем уровне блок-схем соединений и общих понятий протоколов взаимодействий.

В процессе работы компьютера, между процессором, основной электронной памятью и периферийными устройствами происходит непрерывный обмен информацией. При этом основной поток осуществляется между ЦП и ОП, а также между ОП и ПУ. Последний может происходить как через ЦП, так и непосредственно.

Связь ЦП с ОП регулярна, стандартна и в большой степени унифицирована. Это объясняется тем, что модули памяти выпускаются в виде нескольких основных типов, обладающих близкими скоростями, и требующих для своей работы достаточно простых сигналов управления. Кроме того, информация, передаваемая в основную память, никуда далее не отсылается, модули памяти сохраняют свое содержимое, и у центрального процессора нет необходимости выбирать данные из памяти или записывать их туда в моменты времени, которые определяла бы память, а не сам процессор.

Связь же ЦП или ОП с ПУ весьма нестандартна и, как правило, достаточно сложна. Информация, передаваемая в порт ввода/вывода, в нем не задерживается и обычно сразу же передается какому-нибудь устройству, подсоединенному к этому порту. Последовательно считывая информацию из одного и того же порта, вы чаще всего будете получать совершенно новые данные, и даже последовательность переданных и считанных байт может не сохраняться.

Кроме того, большие проблемы, при обмене информации между ЦП и ПУ, возникают и по следующим причинам.

- Большое разнообразие периферийных устройств. Это могут быть внешние магнитные и оптические запоминающие устройства, клавиатура, АЦП, ЦАП, кодировщики, дисплеи, фотосчитыватели, графопостроители, объекты контроля технологических процессов, объекты научного и производственного эксперимента и т.п.

- Огромный диапазон скоростей обмена информацией. Скорости обмена информацией могут изменяться от минут, в случае, например, температурных первичных преобразователей с АЦП в системах контроля; секунд и миллисекунд, в случае использования в качестве ПУ телетайпов и фотосчитывателей; и до микросекунд, при обмене информацией с магнитными дисками. А при обслуживании компьютером целого ряда физических экспериментов, например, в ядерной физике, время ввода данных может измеряться уже наносекундами. И, при этом, сам обмен информацией может быть как синхронный, так и асинхронный.

- Большое разнообразие типов и уровней сигналов обмена. Кроме того, эта информация может быть представлена в самом различном виде, (символьная кодированная информация, графические данные, аналоговые электрические сигналы и т.д.)

- Сложность структуры сигналов обмена. Обмен информацией с ПУ может осуществляться параллельными словами или байтами (параллельный интерфейс), как, например, в целом ряде случаев обмена информацией с системами управления производственными процессами или научного эксперимента. Последовательными кодами, например, при обмене информацией с жесткими (HDD) или гибкими (FDD) магнитными дисками, с клавиатурой, мышью или другими устройствами, подключаемыми через шины USB, Fire Wire. А то и параллельно-последовательными кодами, как бывает в случае обмена информацией с накопителями на магнитной ленте (Streamer).

Поэтому организация каждого ПУ и его связь с компьютером может порождать уникальную проблему.

В современных компьютерах используются три основных принципа организации ввода/вывода информации между ядром компьютера и ПУ.

• Программно-управляемый ввод/вывод с активным ожиданием.

• Ввод/вывод с управлением по прерываниям.

• Ввод/вывод с прямым доступом к памяти.