Структуры компьютеров

Структура компьютера с программно управляемым интерфейсом (ПУИ) ввода-вывода.

Процессор

Запрос

КО АВУ

Интерфейс ввода-вывода

…..….

СД

К 1

ВУ 1

К к

ВУ к

Р

Оперативная память

ис. Структура компьютера с программно-управляемым интерфейсом ввода-вывода

В данной структуре на процессор возлагаются функции обеспечения ввода-вывода и ВУ подключаются через интерфейс ввода-вывода непосредственно к процессору. Команда ввода-вывода содержит код операции (КО) и адрес внешнего устройства (АВУ) и исполняется следующим образом:

1. Код операции КО и адрес АВУ посылается процессором в шину ввода-вывода;

2. Контроллеры ВУ сравнивают свои адреса с АВУ. Контроллер с заданным адресом принимает КО и инициирует работу ВУ;

3. При вводе данных СД предается по шине ввода-вывода в процессор, а при выводе – из процессора в контроллер ВУ, после чего команда ввода-вывода считается выполненной.

(СД - слово данных пересылается специальным устройством ввода-вывода между контроллером и регистром СД.)

Затем процессор обеспечивает обработку слова данных СД, например передачу слова в оперативную память. Передача сегмента данных, состоящего из последовательности слов, программируется совокупностью команд, в которой после команды ввода-вывода выполняются операции передачи СД в оперативную память (или в обратном направлении) и подсчет количества переданных слов.

Таким образом, ввод-вывод каждого слова данных программируется несколькими операциями процессора, и процессор непосредственно обслуживает процесс ввода-вывода.

Процессор, исполняя команду ввода-вывода, может инициировать операции ввода-вывода и, не дожидаясь ее выполнения, продолжить исполнение программы. В этом случае процессор и ВУ работают параллельно во времени. Когда ВУ готово к передаче слова данных, оно формирует сигнал запроса, поступающий в процессор. По этому сигналу работа процессора прерывается с переходом к выполнению программы ввода-вывода, обслуживающей данное ВУ.

Достоинство рассматриваемой структуры – малые затраты оборудования в системе ввода-вывода за счет того, что процессор реализует функции по передаче вводимых/выводимых слов в оперативную память, и по подсчету числа переданных слов.

Однако структуре с программно-управляемым интерфейсом присущи следующие недостатки:

1. Снижение производительности процессора за счет:

• простоев процессора при ожидании передачи данных в ВУ (или обратно)

• выполнения процессором операций по обслуживанию передачи последовательности слов.

2. Невозможность подключения к интерфейсу ввода-вывода высоко скоростных ВУ, поскольку для передачи данных требуется несколько процессорных операций.

В связи с этим структура с программно управляемым интерфейсом используется в компьютерах с низкой интенсивностью ввода-вывода данных, например в компьютерах встраиваемых в измерительные приборы и другие технические устройства.

Структура компьютера с общей шиной.

Оперативная память

ВУ

К

ВУ

К

Процессор

Контроллер общей шины

Рис. Структура компьютера с общей шиной

Все устройства компьютера процессор П, оперативная память ОП и внешние устройства ВУ подключаются к обшей шине , через контроллеры К.

Общая шина состоит из совокупности шин:

• шины адреса, по которой передаются адреса ячеек оперативной памяти и ВУ;

• шины данных, по которой передаются слова данных;

• шины управления, по которой передаются запросы на передачу данных, тип передачи (чтение/запись) и т.п.

Общая шина обслуживает передачу данных между всеми устройствами в режиме мультиплексирования – разделение времени шины между параллельно работающими устройствами. В каждом цикле работы обшей шины, между двумя устройствами передается одно слово данных, например между процессором и оперативной памятью, или же между ВУ и ОП. Распределение времени общей шины между устройствами и управление передачей слов данных обеспечивается контроллером общей шины (КОШ). Контроллер реагирует на запросы от устройств, выделяя наиболее приоритетный запрос, и предоставляет общую шину одному устройству. Устройство формирует адрес ячейки оперативной памяти, тип обращения к памяти(чтение/запись) и получает/передает слово данных. В следующем цикле обслуживается очередное устройство, сформировавшее запрос к общей шине.

Структура с общей шиной позволяет создавать компьютеры с более высокой производительностью, чем на основе программно управляемого интерфейса. Однако это достигается за счет больших затрат оборудования в контроллере общей шины, и контроллере ВУ. Вместе с тем производительность компьютера ограничивается пропускной способностью общей шины, которая обычно составляет 10-50 млн. слов/с (к тому же длина общей шины ограничена).

Чем выше пропускная способность шины, тем меньше ее длина. А этот фактор влияет на количество устройств, подключаемых к общей шине.

Структура компьютеров с каналами ввода-вывода.

В этой структуре процессор полностью освобождается от обслуживания ввода-вывода данных, а выполнение операций ввода-вывода возлагается на каналы ввода-вывода (КВВ).

Команда ввода-вывода, поступающая в процессор в общем потоке команд, содержит адрес (номер) КВВ, адрес внешнего устройства и адрес начала программы ввода-вывода, хранимой в оперативной памяти ОП. Исполняя команду ввода-вывода, процессор только инициирует указанный в команде КВВ и переходит к выполнению следующей команды программы.

К

КВВ

оманды ввода-вывода Интерфейс ввода-вывода

П

ОП

К

ВУ

К

ВУ

КВВ

Рис. Структура

к

К

ВУ

К

ВУ

омпьютера с каналами ввода-вывода

КВВ реализует следующие функции:

1. Выборку из ОП управляющего слова канала, содержащего код операции исполняемой КВВ и заданным ВУ, адрес области оперативной памяти, в которую вводятся данные, и длину сегмента вводимых (выводимых) данных;

2. Выполнение управляющего слова канала путем управления работой внешнего устройства ВУ и передачи данных между ВУ и ОП через интерфейс ввода-вывода. По окончанию передачи сегмента данных КВВ выбирает из ОП следующее управляющее слово канала;

3. Формирование сигналов, поступающих в процессор, о завершении программы ввода-вывода или особых ситуациях, возникших в процессе выполнения программы (неготовность ВУ, ошибка в данных и т.п.).

При наличии нескольких КВВ одновременно могут исполняться несколько программ ввода-вывода. При этом процессор освобожден от обслуживания ввода-вывода и способен обрабатывать данные по другим программам.

КВВ функционирует во времени в следующих режимах:

1. Мультиплексный режим, при котором ресурсы канала и интерфейса ввода-вывода распределяются поочередно во времени для обслуживания нескольких одновременно работающих внешних устройств. При этом каждое внешнее устройство совместно с КВВ реализует собственную программу ввода-вывода.

2. Монопольный режим, при котором ресурсы КВВ и интерфейс ввода-вывода предоставляются для обслуживания одного внешнего устройства на весь период передачи блока данных.

Мультиплексный режим обеспечивает одновременную работу низкоскоростных внешних устройств, а монопольный – высокоскоростных, производительность которых близка к предельной пропускной способности интерфейса ввода-вывода и КВВ. КВВ, реализующие мультиплексный и монопольный режимы передачи данных, называют блок- мультиплексными каналами.

Структура компьютеров с каналами ввода-вывода обеспечивает высокую производительность системы ввода-вывода за счет использования нескольких КВВ и параллельной работы многих внешних устройств, подключаемых к одному каналу, в мультиплексном режиме. Высокая производительность системы ввода-вывода обеспечивается за счет значительных затрат аппаратуры, используемой для построения каналов ввода-вывода и организации многоканального доступа к оперативной памяти. По своей сути каналы ввода-вывода являются специализированными процессорами – процессорами ввода-вывода.

Структура компьютера с высокоскоростными последовательными соединениями типа "точка-точка".

В настоящее время развивается общая для компьютерной индустрии тенденция замены устаревших параллельных общих шин на высокоскоростные последовательные соединения типа "точка-точка"

Рис.

Архитектура компьютера с общей шиной имеет очевидные недостатки; в частности, какое-либо одно периферийное устройство может монополизировать шину, в результате чего другие устройства не будут иметь к ней доступа. Кроме того, затрудняется выявление и изолирование источника сбоя. С повышением тактовой частоты процессоров и с возрастанием пропускной способности локальной сети, появлением высокоскоростных периферийных устройств пропускной способности имеющихся реализаций компьютеров с общей шиной оказывается недостаточно.

Архитектура ввода-вывода третьего поколения (3GIO, 3rd Generation Input Output) представляет собой универсальную архитектуру последовательного типа с малым количеством контактов, производительность которой будет ограничиваться исключительно технологическими особенностями соединений.

Масштабируемость производительности обеспечивается путем изменения частоты и добавления дополнительных линий связи. Благодаря этому достигается высокая пропускная способность в расчете на одну линию. Предусматриваются соединения типа “микросхема - микросхема”, “плата - плата” через разъем или стыковочный узел.

Последние разработки в области технологий, призванных обеспечить высокоскоростные соединения типа “точка - точка” с минимальным количеством выводов на разъемах, демонстрируют новые привлекательные возможности для существенного повышения пропускной способности. Топология 3GIO подразумевает наличие ведущего моста (host bridge) и нескольких конечных точек (устройств ввода-вывода), как показано на рисунке. Множество соединений типа “точка - точка” обусловили необходимость ввести в топологию системы новый элемент - коммутатор ввода-вывода. Он заменил собой многоабонентскую шину и используется для расширения шины ввода-вывода.

Коммутатор 3GIO обеспечивает разветвление и позволяет добавить дополнительные высокопроизводительные встраиваемые устройства ввода-вывода.

Созданные на программном уровне запросы на чтение и запись транспортируются уровнем транзакций на устройства ввода-вывода, работающие по протоколу, поддерживающему пакеты и транзакции.

Пропускная способность 3GIO легко линейно масштабируется путем добавления дополнительных сигнальных пар, обеспечивающих дополнительные линии. Физический уровень поддерживает линии следующих кратностей: x1, x2, x4, x8, x12, x16 и x32.