книги из ГПНТБ / Смирнов, К. А. Сбор, передача и обработка данных АСУ

ко по мере расширения круга использования ЭВМ ста-

!повилось ясно, что необходима такая структура машины, которая при неизменном процессоре позволяла бы в ши­ роких пределах варьировать количеством и типами под­ ключаемого к процессору оборудования. По отношению к процессору это оборудование является внешним (пе­ риферийным), в отличие от оперативных и постоянных ЗУ. В дальнейшем под внешними устройствами (ВУ), или периферийным оборудованием, будет пониматься любой тип внешних ЗУ и вводно-выводных устройств.

Характеристики современных вычислительных ма­

ЭВМ имеет в своем составе неизменное ядро — процес­ сор, оперативное и постоянное ЗУ, периферийное обору­ дование, состав которого изменяется в широких преде­ лах. Такая структура в зависимости от конкретных ус­ ловий позволяет формировать оптимальные в функцио­ нальном и экономическом отношениях вычислительные системы. При этом необходимо выполнение следующих условий:

1.Обмен информацией и управляющими сигналами между центральным и периферийными устройствами должен производиться по единому алгоритму при стан­ дартном формате информации, передаваемой по одним

итем же командам.

2.Внешние устройства должны подключаться к од­ ной или нескольким информационным магистралям.

3.Преобразование формата данных и дешифрация команд должны производиться в периферийных устрой­ ствах.

71

При подобной организации взаимодействия между процессором и ВУ команда, посылаемая устройству, не зависит от типа устройства и указывает лишь его но­ мер, объем информации, который должен быть передан, и место в памяти, откуда данная информация должна быть считана или куда она должна быть записана. Все устройства в любой момент времени должны быть го­ товы примять от процессора команды. Приняв команды, ВУ определяют, относятся ли эти команды к ним. Уст­ ройство, к которому адресована команда, должно под­ ключиться к кодовым магистралям для передачи отве­ та в сторону процессора.

Структурная схема взаимодействия процессора сВУ приведена на рис. 2.18.

Для организации взаимодействия периферийных и центральных устройств ЭВМ между ними устанавлива­ ются устройства, называемые каналами ввода-вывода: мультиплексный и селекторный каналы. Они выполня­ ют функции обмена, общие для периферийных устройств всех типов, что уменьшает суммарный объем оборудо­ вания ЭВМ.

В ходе выполнения программы решения какой-либо задачи процессор взаимодействует с постоянным и опе­ ративным ЗУ. При необходимости обмена информацией с внешним ЗУ он посылает соответствующую команду управления («управляющее слово») в канал ввода-вы­ вода, после чего продолжает выполнять текущую про­ грамму. В управляющем слоес содержатся код номера ВУ и данные о характере обмена — объеме информа­ ции и ее месте на носителе. Получив управляющее сло-

72

во, канал ввода-вывода выполняет общие для всех пе­ риферийных устройств операции: дешифрирует адрес ВУ, посылает запрос на обмен, получает ответ готовно­ сти' устройств начать обмен и ряд других функций. Дру­ гая часть управляющего слова, которая является спе­ цифической для периферийного устройства определенно­ го типа, посылается каналом ввода-вывода в данное устройство, где она и реализуется. Так, например, од­ на п та же команда считывания информации из опреде­ ленной зоны памяти внешнего ЗУ в накопителях на маг­ нитной ленте и магнитном барабане выполняется поразию'му. Исходя «з этого данные операции выполняются не каналом ввода-вывода, а блоками 'управления от­ дельных периферийных устройств.

Быстродействие процессора обычно намного превы­ шает скорость работы ВУ. Поэтому, если в процессе об­ мена информацией с внешним устройством процессор будет занят лишь одними операциями приема и переда­ чи, эффективность работы ЭВМ в целом значительно снизится. Учитывая это обстоятельство, обмен инфор­ мацией между процессором и ВУ организуется таким образом, что ВУ полностью загружаются операциями обмена, а процессор производит обращения к устройст­ вам лишь на короткие промежутки времени. В течение всего остального времени процессор занят выполнением текущей программы.

Временная диаграмма обмена .информацией между процессором и ВУ показана на рис. 2.19. Из рисунка

Рис. 2.19. Диаграмма обмена 'информацией между процессором и ВУ

видно, что, послав команду запуска ВУ, процессор воз­ вращается к выполнению текущей программы, приос­ танавливая ее лишь на те моменты времени, в которые производится обмен блоками информации между oneративным ЗУ и внешним устройством. В промежутки между сеансами обмена данными процессор продолжа­ ет выполнять текущую задачу. После завершения об­ мена данными ВУ посылает в процессор сигнал преры­

73

вания, перестраивающий программу работы процессо­ ра. Перестройка заключается в изъятии из общей про­ граммы работы inpoueccoipa той ее части, которая бы­ ла направлена на организацию обмена данными с опре­ деленным ВУ. Кроме того, только после получения за­ проса прерывания процессор может послать команду запуска ВУ, если в этом вновь возникла необходимость.

Поскольку в промежутках времени между обменом информацией с каким-либо периферийным устройством процессор может выполнять любую задачу, то такой задачей может быть обмен данными с другим устройст­ вом или даже группой устройств. В общем случае коли­ чество ВУ, одновременно работающих с процессором, определяется их быстродействием и пропускной способ­ ностью канала. Так, например, ЭВМ может одновре­ менно работать с несколькими сотнями таких ВУ, как телеграфный аппарат. В то же время, если внешним устройством является специализированная ЭВМ, то, на­ чав обмен данными с таким быстродействующим уст­ ройством, у центральной ЭВМ может не оказаться ре­ зерва быстродействия для работы с другими ВУ и да­ же с текущей программой. Следует также отметить, что выражение «одновременная работа» между ЭВМ и пе­ риферийными устройствами относится только к этим устройствам. Внешние устройства действительно будут работать одновременно, в то время как ЭВМ будет в очень малые промежутки времени поочередно взаимо­ действовать с периферийными устройствами.

М у л ь т и н д е к с и ы й и се л е к т о р и ы й к а н а- л ы. Необходимость работы с большим числом внешних устройств привела к созданию таких ЭВМ, в которых обмен с ВУ происходит независимо от процессора и од­ новременно с его работой. Внешние устройства долж­ ны при этом иметь свое управление и работать с ЭВМ через канал ввода-вывода (рис. 2.20), что позволяет ве­ сти обмен с большим числом единиц периферийного оборудования и одновременно выполнять текущую про­ грамму в процессоре. В малых и средних ЭВМ функ­ ции канала могут выполняться процессором, что спо­ собствует уменьшению габаритов машин и их стоимо­ сти.

Считается, что сопряжение между отдельными пе­ риферийными устройствами и каналом ввода-вывода должно быть стандартным. Формат информации и по­ следовательность сигналов, передаваемых па этом уча-

/4

ctKc, должны быть одинаковы для всех внешних уст­ ройств. Запуск внешнего устройства целесообразно осу­ ществлять с помощью специальной программы .— про­ граммы диспетчера по прерыванию программы, .а об­ мен информацией с внешними устройствами произво-

[ дить в режиме приостановок посимвольно, стандартны-

Рис. 2.20. Обмен управляющей информацией меж ду про­ цессором н каналом ввода-вывода

ми символами. В качестве стандартного символа ис­ пользуется байт.

Аппаратура канала ввода-вывода должна обеспечи­ вать:

—дешифрацию и выполнение команд, получаемых каналом;

—хранение текущей команды;

— контроль проходящей через канал информации;

—регистрацию состояния внешних устройств, под­ ключенных к каналу;

—хранение и формирование адресов выполняемых команд;

—хранение и формирование соответствующих адре­ сов оперативной памяти для каждого из одновременноработающих в данном канале внешних устройств;

—подсчет количества передаваемых символов;

—буферное хранение передаваемой информации.

Канал ввода-вывода получает от процессора управ­ ляющую информацию и перекодирует . ее-в сигналы, |П|ред1на'зна'Ч0нные для обмена с 'ссгответств!ую,ш,и'м типом внешнего устройства. После запуска внешнего устрой­ ства канал в соответствий с циклами оперативной па­ мяти производит передачу байтов, формируя необходи­ мые массивы данных и адреса оперативного ЗУ.

75

Управление операциями ввода-вывода может произ­ водиться либо с помощью автономного оборудования канала, либо при взаимодействии канала ввода-выво­ да и процессора. В первом случае возможно полное со­ вмещение выполнения операций ввода-вывода и работы процессора, во втором — часть операций ввода-вывода осуществляется процессором. Обмен между процессо­ ром и блоком управления внешнего устройства произ­ водится через информационную магистраль, используе­ мую для передачи адресных, управляющих и информа­ ционных слов. Очередность работы внешнего устройст­ ва определяется сигналами управления, которые выра­ батываются каналом в соответствии с командами про­ цессора.

Ввиду разнообразия типов внешних устройств, глав­ ным образом по скорости обмена информацией, приме­ нение одного типа канала ввода-вывода оказалось не­ целесообразным. В настоящее время применяются два типа каналов ввода-вывода — селекторный и мульти­ плексный. Тип канала связи между ВУ и процессором определяется режимом обмена информацией по этому каналу.

Селекторный канал допускает в данный момент вре­ мени обмен только с одним внешним устройством при блокировке всех остальных внешних устройств, вклю­ ченных в канал. Передаваемая информация может со­ стоять из нескольких байт, блока или последовательно­ сти блоков. Передача ведется побайтно параллельным кодом.

По мультиплексному каналу передаются сравнитель­ но небольшие порции информации (один или несколько байт) поочередно с нескольких внешних устройств, каж­ дое пз которых занимает один временной подканал. Для низкоскоростных внешних устройств такая работа яв­ ляется одновременной.

В программе ЭВМ мультиплексные подканалы пред­ ставлены как независимые селекторные каналы. Муль­ типлексный канал можно также использовать как селек­ торный, объединив для увеличения пропускной способ­ ности отдельные подканалы. В таком режиме работаю­ щий подканал блокирует оборудование других подкана­ лов н представлен в программе как единый селектор­ ный канал.

Обмен информацией между процессором и каналом ввода-вывода производится по командам, которые вы-

76

полпяются процессором в том случае, когда последний осуществляет операции программы-диспетчера. Опера­ ция ввода-вывода начинается по команде (управляюще­ му слову) «начать ввод-вывод» (см. рис. 2.20), адрес­ ная часть которой содержит код канала ввода-вывода и код номера внешнего устройства, подключенного к это­ му каналу. Если канал ввода-вывода свободен, управ­ ляющее слово будет принято и дешифрировано, в ре­ зультате чего канал сможет произвести выборку соот­ ветствующего внешнего устройства. После выдачи уп­ равляющего слова процессор продолжает операции по основной программе. Выполнение команды «ввод-вы­ вод» начинается с запроса адресного слова канала из ячейки оперативного ЗУ, где оно постоянно хранится. Адресное слово канала состоит из разрядов ключа за­ щиты памяти и разрядов адреса ячейки, где хранится первый байт адреса команды канала.

Команда канала состоит из 8 байт и выбирается ка­ налом ввода-вывода из оперативного ЗУ по байтам. Операции ввода-вывода выполняются по программе ка­ нала, которая может содержать одну или несколько команд. Каждая команда канала, за исключением по­ следней, содержит признак, указывающий на необхо­ димость выборки из оперативного ЗУ следующей команды.

Всего существует шесть команд канала:

1.Вывести из внешнего устройства данные в задан­ ную часть памяти оперативного ЗУ.

2.Записать во внешнее устройство данные из опре­

деленного участка памяти оперативного ЗУ.

3.Прочитать в обратном направлении информацию с носителя и записать ее в оперативное ЗУ с последова­ тельно уменьшающимися адресами.

4.Произвести управление выбранным внешним уст­ ройством (например, перемотать ленту, протянуть бу­

магу и т. д.).

5.Уточнить состояние выбранного внешнего устрой­ ства (например, наличие свободной зоны памяти на НМБ).

6.Перейти к выполнению следующей команды кана­

ла ввода-вывода.

Код операции, которая должна выполняться кана­ лом, содержится в первом байте команды канала. В случае занятости вызываемого внешнего устройства ка­ нал вырабатывает слово «cocTOTHHiie каиала», шосылае-

77

мое в оперативное ЗУ, в котором указывается причина отказа. О завершении операций ввода-вывода канал ин­ формирует процессор посылкой сигналов «внешнее уст­ ройство закончило работу», «капал закончил работу» и «сигнал прерывания».

Селекторные каналы предназначены для подключе­ ния высокоскоростных внешних устройств, таких как ЗУ, НМБ, НМЛ, НМД, а также для обмена информа­ цией между вычислительными машинами. Внешние ЗУ подключаются к селекторному каналу через устройства управления. Число устройств управления, которое мож­ но подключить к одному селекторному каналу, равно 4—8. К каждому устройству управления можно подклю­ чить до восьми внешних ЗУ. Так, например, к одному устройству управления НМЛ (НМБ, НМД)- можно под­ ключить до восьми лентопротяжных механизмов (ба­ рабанов, дисков). Обычно к селекторному каналу под­ ключается однотипное оборудование. Число селектор­ ных каналов в ЭВМ большой производительности дости­ гает четырех. Пропускная способность селекторных ка­ налов лежит в пределах 6004-1300 кбайт/с.

Мультиплексные каналы предназначены для подклю­ чения низкоскоростных вводно-выводных устройств (ВВУ). Число 'устройств подключаемых ik мультиплекс­ ному 'каналу, может быть значительным. Оно определяет­ ся разрядностью кода номера ВВУ в управляющем сло­ ве. Так как обмен сигналами в информационных маги­ стралях принят побайтным, то код номера обычно пе­ редается одним байтом. Поэтому по стандартному муль­ типлексному каналу можно передать код 28 адресов, что позволяет подключать к нему до 256 различных ВВУ. При необходимостн число подключаемых ВВУ 'можно увеличить 'специальными мерами. Так, inоказанное на рис. 2.18 устройство управления ВВУ имеет в мульти­ плексном канале свой адрес, используя который, можно организовать обмен с несколькими ВВУ. При некото­ ром усложнении программы процессора появляется воз­ можность различать данные, которыми обмениваются эти ВВУ с оперативным ЗУ. •

Пропускная способность мультиплексного канала ниже, чем у селекторного, и лежит в пределах 404- 4-400 кбайт/с. При необходимости в одном мультиплек­ сном канале можно организовать 4—8 высокоскорост­ ных каналов. В этом случае пропускная способность канала повышается до 2004-500 кбайт/с. Работа в та­

78

ких каналах может производиться поочередно. Такое объединение группы мультиплексных каналов делается, если необходимо подключить к каналу какое-либо от­ носительно высокоскоростное устройство, например,

НМЛ.

Э ф ф е к т и в н о с т ь р а б о т ы п р о ц е с с о р а с в н е ш н и м и у с т р о й с т в а м и . ЭВМ, работающие в

различных системах обработки информации, должны отвечать противоречивым требованиям — обеспечивать эффективный обмен данными с внешними устройствами и одновременно обрабатывать большие массивы дан­

ных.

Трудности организации эффективного взаимодейст­ вия между центром машины и внешними устройствами объясняются в основном следующими тремя обстоя­ тельствами:

— очень велика разница в скоростях работы различу ных внешних устройств. Одни из них имеют скорость, соизмеримую с быстродействием ЭВМ, в то время как скорость работы других на два—три порядка ниже;

— ЭВМ должна принимать информацию от вне­ шних устройств и выдавать ее немедленно в ответ на поступивший запрос;

— простой ЭВМ между операциями ввода-вывода недопустим, так как это приводит к уменьшению объе­ ма обрабатываемых данных.

В большинстве ЭВМ первого поколения отсутство­ вали те элементы, которые обеспечивали эффективное взаимодействие с внешними устройствами. Операции ввода-вывода этих машин осуществлялись с помощью небольшого количества специальных команд, позволяю­ щих выполнять весь цикл операций обмена данными с внешними устройствами. Передача информации проис­ ходила с перерывами, в течение которых производился многократный опрос ВУ с целью определения их готов­ ности к обмену. Для выполнения максимального числа вычислительных операций в промежутке между обме­ ном данных программисту требовалось детальное зна­ ние временных соотношений между вводно-выводными и вычислительными операциями. Каждая новая про­ грамма требовала своего подхода к выбору временных соотношений, что делало невозможным независимое со­ ставление эффективной программы ввода-вывода. Со­ временные машины позволяют автоматически распре­ делять вводно-выводные и вычислительные программы,

79