1.2.3 Процессор ввода-вывода

В вычислительной технике под процессором понимается устройство обработки информации. Несмотря на то, что в основе современных процессоров могут лежать различные модели вычислений исторически сложилось так, что чаще всего используется модель на базе машины ФонНеймана.

Рис. 3. Структура процессора ввода-вывода Intel 80333

В отличии от обычного процессора, процессор ввода-вывода предназначен для работы в рамках системы ввода-вывода с целью увеличения производительности системы. Увеличение производительности происходит за счет разгрузки центрального процессора и организации параллельной работы СВВ и основного процессора.

В качестве примеров процессоров ввода-вывода можно представить:

Сетевой контроллер.

Контроллер жесткого диска.

В качестве примера процессора ввода-вывода можно рассмотреть Intel 80333. В состав этого процессора входит:

Ядро Intel XScale.

Контроллер памяти.

Контроллер UART.

Контроллер I2C.

Контроллер DMA.

Таймеры.

Мосты PCIe – PCI-X.

Контроллер и арбитр периферийной шины.

Контроллер прерываний.

Порты ввода-вывода (GPIO).

Для сравнения, в большинстве современных микроконтроллеров (таких например, как Freescale Coldfire V2 или NXP LPC1700) выделенного процессора ввода-вывода нет, а есть только контроллеры ввода-вывода.

1.2.4 Интерфейс и протокол

Интерфейс – в широком смысле стык, граница раздела двух взаимодействующих систем, устройств или программ. Также интерфейс можно определить как соглашение о взаимодействии объектов: перечень средств взаимодействия, их параметры, в случае аппаратных интерфейсов – параметры сигналов, способы доступа к средствам взаимодействия, правила взаимодействия и т.д.

Выделяют интерфейсы:

1. Аппаратный (устройство-устройство) – совокупность алгоритмов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между устройствами. Примеры: PCI, RS-232, I²C, Ethernet.

2. Программный – соглашение о связях в программной среде между программными модулями. Примеры: Win32, POSIX, API любого программного модуля (интерфейс прикладного программирования – набор функций, предоставляемый для использования в прикладных программах).

3. Пользовательский (ВС – пользователь) – сценарии, по которым строится общение оператора с вычислительной системой, и стиль их реализации. Примеры: «дружественный интерфейс человек-компьютер», WIMP (window, icon, menu, pointers), стиль организации работы в программном комплексе Microsoft Office.

Аппаратный интерфейс – совокупность алгоритмов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между устройствами. В семиуровневой сетевой модели OSI аппаратный интерфейс соответствует физическому и частично канальному уровню, которые определяют физическую и логическую организацию аппаратного интерфейса.

Все множество аппаратных интерфейсов в рамках структуры, изображенной на рисунке выше, можно поделить по их назначению (типу сопрягаемых объектов) на 6 иерархических уровня:

1. Внутрисистемный («A» на рис. выше) – это группа интерфейсов, которая обеспечивает взаимодействие компонент ядра ВС. Интерфейсы этого уровня должны, очевидно, удовлетворять критерию максимальной производительности, например, интерфейс между процессором и памятью, в интерфейсной системе AMBA шина AHB.

2. Системный («B» на рис. выше) – группа интерфейсов, сопрягающих как элементы ядра ВС, так и элементы подсистемы ввода-вывода. Служат для развития системы (ISA, PCI, PCI Express), т.е. наращивания характеристик вычислительного ядра. Является компромиссом при создании дешевой вычислительной структуры.

3. Уровень стандартных интерфейсов ввода-вывода («C» на рис. выше) – группа интерфейсов, объединяющая контроллеры ввода-вывода с процессорами ввода-вывода. Характеристики этих интерфейсов сильно отличаются от характеристик первых двух групп: критерием является удобство и эффективность управления большим числом периферийных устройств. Рассматривается протокол обмена между ведущим и ведомым (интерфейс SCSI, SAS).

4. Уровень малых периферийных интерфейсов («D» на рис. выше), которые сопрягают контроллеры (процессоры) ввода-вывода непосредственно с внешними устройствами (RS-232, SPI, Centronics, SATA), из этого вытекают особенности организации этой группы интерфейсов. Для каждого внешнего устройства требуется свой оптимальный интерфейс.

5. Контроллерные сети. Примеры: 1-Wire, I²C, USB. На рисунке выше не отображены.

6. Сети передачи данных (СПД) систем обработки данных (СОД). На рисунке выше не отображены.

Протокол (от греч. protókollon – первый лист, приклеенный к свитку манускрипта) – документ, содержащий запись всего происходившего. Протоколирование – ведение записей, с информацией о произошедших событиях.

Протокол – правила взаимодействия двух и более систем при передаче данных.