Лекция 5 Организация ввода-вывода

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

Любая ЭВМ представляет собой сложную систему, включающую в себя большое количество различных устройств. 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.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

• пропускная способность - количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

• максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс;

• максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;

• общее число проводов (линий) в интерфейсе;

• информационная ширина интерфейса - число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс.

Разработка систем ввода-вывода требует решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие:

1) Необходимо обеспечить возможность реализации ЭВМ с переменным составом оборудования, в первую очередь, с различным набором устройств ввода-вывода, с тем, чтобы пользователь мог выбирать конфигурацию машины в соответствии с ее назначением, легко добавлять новые устройства и отключать те, в использовании которых он не нуждается.

2) Для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования компьютера следует реализовать параллельную во времени работу процессора над вычислительной частью программы и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.

3) Необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.

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

Главным направлением решения указанных проблем является магистрально-модульный способ построения ЭВМ (рис): все устройства, составляющие компьютер, включая и микропроцессор, организуются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью. Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем (Иi).

Рис. Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ

На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи:

• обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модуля и системной магистрали;

• преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;

• обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов.

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными и по своим возможностям соответствовать универсальным микропроцессорам. Такие схемы принято называть контроллерами.

Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.

Таким образом, 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 между 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.

Контроллеры

К операциям ввода-вывода относятся все операции, управляющие работой внешних устройств и обеспечивающие передачу данных между внешними устройствами и оперативной памятью. Операции ввода-вывода распространяются и на внешние запоминающие устройства и на устройства ввода-вывода, которые в связи с этим принято относить к одному классу устройств –внешним (периферийным) устройствам.

Внешние устройства (ВУ) подключаются к интерфейсу ввода-вывода (ИВВ) через контроллеры (К) по схеме, представленной на рис.

Ядро ЭВМ

Интерфейс ввода-вывода

К 1

ВУ 1

К к

ВУ к

Рис. Схема подключения внешних устройств

Контроллер– электронное устройство, выполняющее следующие функции:

1. Опознавание обращения к ВУ путем сравнения собственного адреса с адресом ВУ, представленным на шине ввода-вывода;

2. Прием команды ввода-вывода, посылаемой по шине;

3. Исполнение команды ввода-вывода, что сводится к передаче данных между интерфейсом и ВУ и формированию сигналов, управляющих работой ВУ;

4. Формирование и передачу в шину информации о завершении операции ввода-вывода или об особых ситуациях в работе ВУ (неготовность к работе, ошибка в передаче данных и т.п.);

5. Формирование сигналов запроса от ВУ на передачу информации через интерфейс.

Таким образом, команды ввода-вывода исполняются ВУ, работающим под управлением контроллера, интерпретирующего наборы управляющих сигналов, поступающие по шине, в соответствующие действия, реализуемые аппаратурой ВУ и контроллера. Контроллер также передает данные между ВУ и шиной в стандарте интерфейса ввода-вывода и формирует сигналы запросов от ВУ на передачу информации через интерфейс.

Один контроллер может использоваться для обеспечения работы нескольких ВУ. Такой контроллер называется групповым. Количество ВУ, подключаемых к шине ввода-вывода, ограничивается следующими факторами:

-предельно допустимой длиной шины ввода-вывода;

-разрядностью адреса ВУ, представляемого на линиях интерфейса.