Тема 4. Каналы и интерфейсы ввода-вывода. Периферийное оборудование эвм. Лекция 8. Организация системы ввода/вывода эвм

Обсудив организацию центральной части ЭВМ ЦП и ОП, рассмотрим третью составляющую систему сопряжения (СС), обеспечивающей интерфейс центральной части с внешней средой (внешняя память, устройства ввода/вывода, другие ЭВМ и т.д.). В качестве внешней среды (периферии) можно выделить две большие группы устройств: внешние запоминающие устройства (ВЗУ; предназначены для хранения больших объемов информации) и устройства ввода/вывода (УВВ; ввод/вывод информации, ее регистрация и отображение, и т.д.). Технико-экономические показатели ЭВМ в значительной степени определяются составом ее периферийного оборудования, его техническими характеристиками и способом организации совместной работы с ЦП и ОП ЭВМ. Связь устройств ЭВМ друг с другом в единую систему осуществляется посредством интерфейсов, которые представляют собой совокупность линий и шин, управляющих сигналов, электронных схем и протоколов связи, предназначенную для обеспечения обмена информацией между устройствами. От характеристики и организации системы интерфейсов во многом зависят технико-экономические показатели любой ЭВМ.

Системы ввода/вывода современных ЭВМ, сопряженных с разнообразной периферией, удовлетворяют ряду требований, из которых отметим следующие. Модульность средств современной ВТ предполагает выполнение отдельных устройств в виде конструктивно законченных модулей, допускающих объединение их в нужных количествах и номенклатуре для создания вычислительных средств с требуемыми характеристиками. Унифицированность форматов данных, которыми внешние устройства (ВУ) обмениваются с ЦП и ОП, включая и основную управляющую информацию, позволяет использовать одни и те же ВУ с различными типами и классами ЭВМ, удовлетворяющим определенным стандартам. При этом преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, присущие конкретному ВУ, производится в блоках управления ВУ (БУВУ). Унифицированность распространяется на общий интерфейс обмена информацией между ВУ и ЦП+ОП (рис.8.1), а также на формат и набор команд ввода /вывода ЦП. При таком подходе операции ввода /вывода с любым ВУ процессор осуществляет независимо от особенностей конкретного ВУ. Для обеспечения временного совмещения работы ЦП и системы ввода /вывода производится повышение уровня автономности последней. Многие функции управления операциями ввода /вывода являются общими и не зависят от типа ВУ, тогда как другие специфичны для конкретного ВУ. Выполнение общих функций возлагается на специальные устройства системы сопряжения контролеры (Конт) прямого доступа к ОП, а специфические на адаптеры (БУВУ) конкретного типа ВУ.

В ПК для организации обмена информацией между ЦП и ОП используется метод прямого доступа к ОП, суть которого сводится к следующему. ЦП только инициирует операцию ввода /вывода посредством общих команд, запускающих работу контроллера; после успешной инициализации операции ввода /вывода ЦП переключается на выполнение основной программы, а контроллер непосредственно выполняет операцию обмена параллельно с работой ЦП. Таким образом, прямым доступом к ОП управляет контроллер, выполняя следующие функции:

задание массива данных и области ОП, участвующих в операции обмена;

формирование последовательных адресов ячеек ОП, используемых в операции;

подсчет числа единиц переданной информации в период текущей операции обмена;

установление момента завершения текущей операции обмена информацией;

передача в ЦП с прерыванием сигнала о конце текущей операции обмена.

Инициируя операцию ввода/вывода, ЦП выполняет ее способами, зависящими от схемы подключения системы ввода/вывода к ЦП и ОП.

Общая шина (ОШ)
Ц П		ОП		БУВУ1	…	БУВУк		Конт1	…	Контd
				ВУ	…	ВУ		ВУ	…	ВУ

Рис.8.1

В зависимости от типа и класса ЭВМ их СВ/В существенно различаются. Можно выделить две типичные организации СВ/В: с (1) общей шиной (ОШ) и (2) каналами ввода/вывода (КВ/В) В первом случае (например, в ПК) все модули соединяются единым интерфейсом общей шиной (ОШ), в совокупности образуя вычислительную систему: ЦП, ОП и ВУ (через БУВУ и контроллеры для ВУ с блочной передачей данных) (рис.7.1). В качестве средства подключения ВУ к ОШ выступает порт (последовательный или параллельный) ввода/вывода, представляющий собой адресную часть контроллера, непосредственно используемую для обмена данными. В каждый момент времени через ОШ может происходить обмен информацией только между одной парой присоединенных к ней модулей, те все модули ЭВМ разделяют во времени и ЦП выступает как один из них. При структуре системы ввода/вывода с ОШ аппаратура управления вводом /выводом рассредоточена по отдельным модулям и ее объем существенно зависит от количества используемых ВУ, особенно ВУ, требующих контроллеров прямого доступа к ОП. Однако при организации системы ввода/вывода процессор не полностью освобождается от управления операциями обмена; более того, во время операций ОШ занята передачей данных и связь ЦП ОП блокируется, снижая производительность ЭВМ.

СВ/В на основе каналов (процессоров) ввода/вывода (рис.8.2) используется в ЭВМ общего назначения и в супер-ЭВМ. В этом случае обмен информацией между ОП и ВУ производится через каналы ввода/вывода (КВ/В), представляющие собой специализированные процессоры ввода/вывода, централизующие аппаратуру управления вводом/выводом и обеспечивающие программно-управляемый обмен информацией.

Оперативная память (ОП)

ЦП

Канал1 в/в (КВ/В1)

……

Каналn в/в (КВ/Вn)

БУВУ1

….

БУВУk

БУВУ1

….

БУВУm

ВУ

ВУ

ВУ

ВУ

Рис.8.2

Благодаря наличию в СВ/В каналов, способных реализовывать достаточно сложные функции, появляется возможность полностью освободить ЦП от операций ввода/вывода. КВ/В управляются канальными программами, находящимися в ОП; поэтому ЦП лишь инициирует операцию ввода/вывода, указывает номера КВ/В и ВУ, участвующих в операции обмена, и адрес начала канальной программы для инициируемой операции обмена ОП с ВУ. Способ организации связи ВУ с КВ/В определяется соотношением быстродействия ОП и ВУ: быстрые (НГМД, НМД, НМБ, НМЛ) и медленные (принтеры, плоттеры и др.) при очень высокой скорости обмена с ОП. Поэтому КВ/В реализуют два режима обмена: монопольный и мультиплексный (разделения времени).

В первом случае после установления связи между КВ/В и ВУ последнее монополизирует канал на все время выполнения инициированной ЦП канальной программы работы с данными ВУ и пока не будут произведены все предусмотренные этой программой передачи данных между ВУ и ОП. Во втором случае несколько ВУ разделяют во времени КВ/В; каждое из ВУ по мере готовности к операции обмена получает в свое распоряжение канал на определенный промежуток времени (квант).

Кванты связи различных ВУ чередуются между собой; в период кванта связи какого–либо ВУ другие могут выполнять операции, не связанные с КВ/В (печать, прием данных, подвод сканирующей головки и др.). Согласно преимущественно реализуемому режиму работы КВ/В делятся на селекторные (монопольный режим) и мультиплексные (режим мультиплексирования). Селекторный канал (СК) монополизирует ВУ на весь период операции обмена и недоступен для ЦП. Байт-мультиплексный канал (БМК) в режиме разделения времени обслуживает несколько одновременно работающих ВУ, попеременно организуя с ними кванты связи для передачи между ОП и ВУ небольших порций информации (несколько байтов). Средства канала, обслуживающие отдельный ВУ, называются логическими подканалами. Физически подканал реализуется в виде области памяти, в которой хранятся параметры операции ввода/вывода, выполняемой данным ВУ; данная область может находится в ОП либо в специальной памяти мультиплексного канала. Число логических каналов определяет максимальное число одновременно работающих с данным каналом ВУ.