Интеллектуальные контроллеры

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую). Подключение любого внешнего устройства к ЭВМ осуществляется через его устройство управления - контроллер ВУ (далее просто контроллер). Таким образом, в системах ввода-вывода большинства современных ЭВМ можно выделить два уровня сопряжения внешних устройств с процессором и памятью. На первом уровне контроллеры сопрягаются с процессором и памятью через системный интерфейс, который обеспечивает объединение отдельных устройств ЭВМ в единую систему. На втором уровне сопряжения контроллеры посредством шин связи соединяются с соответствующими внешними устройствами. Двухуровневая система интерфейса определяет зависимость способов структурной и функциональной организации контроллеров от двух основных факторов^[27]:

• форматов данных и режима работы конкретных внешних устройств,

• типа системного интерфейса (организации общей шины).

Влияние первого фактора на организацию контроллеров достаточно очевидна. Действительно, нерационально было бы создавать единый универсальный контроллер, обеспечивающий, например, подключение к ЭВМ простых устройств типа клавиатуры и сложных устройств типа накопителей на магнитных дисках. Именно поэтому на практике применяют самые разнообразные контроллеры: от простейших для подключения к ЭВМ датчиков одиночных сигналов до очень сложных, сравнимых по сложности с процессорами микро-ЭВМ, например, для сопряжения ЭВМ с аппаратурой для автоматизации научных исследований. Второй фактор - тип интерфейса - определяет способ организации электронных схем контроллеров, обеспечивающих связь с шинами общей магистрали. Упрощения и унификации аппаратуры сопряжения добиваются за счет введения промежуточного стандартного интерфейса параллельной или последовательной передачи данных. В этом случае для подключения к микро-ЭВМ различных внешних устройств с такими стандартными интерфейсами можно использовать одинаковые (для данной ЭВМ) контроллеры параллельного или последовательного интерфейса. Такие контроллеры, выпускаемые серийно в виде отдельных микросхем, часто называют адаптерами. Так как у терминов интерфейс, контроллер, адаптер нет общепринятых четких определений, они часто считаются синонимами. Основу контроллера составляют несколько регистров, которые служат для временного хранения передаваемой информации. Регистры входных и выходных данных работают соответственно только в режиме чтения (или ввода - перемещения информации из контроллера на системные шины) и только в режиме записи (или вывода - перемещения информации с системной шины в контроллер). Регистр состояния работает только в режиме чтения и содержит информацию о текущем состоянии внешнего устройства (включено/ выключено, готово/не готово к обмену данными и т.п.). Регистр управления работает только в режиме записи и служит для приема из ЭВМ приказов для внешнего устройства. Сигналы Ввод и Вывод поступают в контроллер от центрального процессора и служат запросом на выполнение контроллером соответствующих операций с внешним устройством. Сигналом Готовность ВУ контроллер сигнализирует процессор об окончании выполнения текущей операции^[27].

Кэш-контроллер управляет кэш-памятью: загружает в неё нужные данные из оперативной памяти и возвращает, когда нужно, модифицированные процессором данные в оперативную память. Когда процессор хочет прочесть (или записать) данные по какому-либо адресу оперативной памяти, он передает этот адрес в контроллер Кэш-памяти. Контроллер по некоторому алгоритму определяет, содержатся ли в кэш-памяти данные, соответствующие полученному от процессора адресу. Если данные найдены (это событие называется попаданием в кэш), то Кэш-контроллер выдает требуемые данные процессору (в случае чтения), либо перезаписывает их полученными от процессора данными (в случае записи). Если же данные не найдены (промах Кэша), то производится обращение к оперативной памяти, и процессор вынужден ждать. Замечание. Важно понимать, что кэш всегда «полон», так как оставлять часть кэш-памяти «пустой» было бы совершенно нерационально. Поэтому перед запуском приложения Кэш заранее заполняется, а новые данные попадают в кэш только путём вытеснения (замещения) каких-либо старых данных^[27].