30. Принципы организации подсистемы ввода-вывода. Способы реализации ввода-вывода. Уровни подсистемы ввода-вывода.

Принципы организации подсистемы ввода-вывода

Эффективность использования вычислительных возможностей ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но также составом ее периферийных устройств, их техническими характеристиками и способами организации их совместной работы с ядром (процессор и основная память) компьютера.

При разработке подсистемы ввода/вывода должны быть решены следующие проблемы.

1. Должна быть обеспечена возможность реализации машины с переменной конфигурацией (то есть с переменным составом оборудования). В первую очередь, пользователь должен иметь возможность легко дополнять машину новыми устройствами, изменять состав периферийных устройств в соответствии с назначением ЭВМ.

2. Должна реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода/вывода.

3. Для пользователя должно быть упрощено и стандартизировано программирование операций ввода/вывода, обеспечена независимость программирования ввода/вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.

4. Должны быть обеспечены автоматическое распознавание различных ситуаций, возникающих в периферийных устройствах, и реакция ядра ЭВМ на эти ситуации (будь то готовность устройства, различные нарушения его работы или отсутствие носителей).

Наиболее актуально решение этих проблем для ЭВМ с большим количеством разнообразных устройств.

При разработке средств вычислительной техники периферийных устройств особое внимание должно уделяться формированию унифицированных (не зависящие от типа периферийных устройств (ПУ)) форматов данных, которыми периферийные устройства обмениваются с ядром ЭВМ. Преобразование в индивидуальные форматы данных осуществляют контроллеры и адаптеры.

Одним из основных принципов при организации подсистемы ввода/вывода является наличие унифицированного интерфейса, т.е. унифицированного по составу и назначению набора линий и шин, унифицированных схем подключения, сигналов и алгоритмов (протоколов) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

Использование множества периферийных устройств ПУ с относительно небольшим быстродействием приводит к тому, что основное время работы процессора занято обработкой операций ввода-вывода и ожиданием готовности внешних устройств к обмену. Это существенно снижает быстродействие ЭВМ. Эффективность работы ЭВМ можно повысить путем разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами.

Способы реализации ввода-вывода

Три способа реализации процесса ввода-вывода данных (алгоритмы ввода-вывода):

1 .Пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро ОС транслирует в вызов соответствующего драйвера. Этот драйвер начинает процесс ввода-вывода. В это время драйвер выполняет короткий программный цикл, постоянно опрашивая готовность устройства, с которым он работает. Устройство имеет регистр состояния и регистр данных. Один конкретный бит указывает на то, что устройство еще занято. По завершении операции ввода-вывода драйвер помещает данные в регистр данных устройства и возвращается в исходное состояние. Затем ОС возвращает управление программе, осуществляющей вызов. Этот способ называется ожиданием готовности или активным ожиданием и имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно завершит работу.

2. Драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывание по окончании ввода-вывода. После этого драйвер возвращает данные, операционная система блокирует программу вызова (или не блокирует) и начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание, чтобы сигнализировать о завершении операции.

3. Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специального контроллера прямого доступа к памяти (DMA – Direct Memory Access), который управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контроллерами без постоянного вмешательства ЦП. Процессор вызывает микросхему DMA, “говорит ей”, сколько байтов нужно передать, сообщает адреса устройства и памяти, а также направление передачи данных и позволяет дальше действовать ей самой. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается также, как было описано выше.

Уровни подсистемы ввода-вывода

1. Физический уровень - на этом уровне происходит взаимодействие с реальными устройствами ввода-вывода, такими как жесткие диски, клавиатуры, мыши и т.д.

2. Логический уровень - на этом уровне осуществляется управление физическими устройствами и преобразование данных между различными форматами и протоколами.

3. Программный уровень - на этом уровне работают различные драйверы и программы, которые обеспечивают взаимодействие с устройствами ввода-вывода.

4. Системный уровень - этот уровень включает в себя операционные системы и другие программные средства, которые обеспечивают управление устройствами ввода-вывода и их интеграцию в общую систему.

5. Прикладной уровень - на этом уровне находятся программы и приложения, которые используют устройства ввода-вывода для выполнения своих задач.