1.6.5. Вв в режиме пдп.

В этом режиме обмен данными между ПУ и ОП микроЭВМ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа (или прерывающая подпрограмма), а электронные схемы, внешние по отношению к процессору.

При программном обмене или обмене в режиме прерывания для передачи одного слова данных (в частном случае – байта) затрачивается несколько (2-3) команд процессора, суммарное время выполнения которых может оказаться недопустимо большим для обмена с конкретным ПУ. Это может быть связано с тем, что период поступления данных определяется внешними по отношению к процессору факторами, например скоростью движения носителя информации или периодом выборки значений какой-либо функции в реальном масштабе времени, если ЭВМ занимается сбором и обработкой информации. Необходимость в скоростном обмене большими объемами информации возникает также при работе микроЭВМ с контроллерами видеосистем. Кроме того, в простейших микроЭВМ иногда возникает необходимость начальной загрузки программ в ОП из ПУ.

Для получения максимальной скорости обмена желательно, чтобы ПУ через контроллер ПДП имело непосредственную связь с ОП микроЭВМ, т.е. имело бы специальную магистраль. Однако такое решение существенно усложняет и удорожает микроЭВМ, особенно при подключении нескольких ПУ. В большинстве микроЭВМ для реализации обмена в режиме ПДП используются шины системной магистрали. Именно этот вариант и рассматривается ниже. При этом возникает проблема совместного использования шин системного интерфейса процессором и контроллером ПДП, которая имеет два основных способа решения – ПДП с захватом цикла и ПДП с блокировкой процессора.

Пдп с захватом цикла.

Этот способ ПДП предназначен для обмена короткими блоками информации в виде байта или слова и имеет два варианта:

Вариант 1.

В этом случае для обмена используются те интервалы времени машинного цикла процессора, в которых он не обменивается данными с памятью и ПУ. Таким образом, контроллер ПДП никак не мешает работе процессора.

Применение такого способа организации ПДП не снижает производительность МП, но передача данных происходит только в случайные моменты времени. Это понижает общую скорость обмена. Кроме того, для некоторых ПУ такой режим обмена вообще неприемлем.

Вариант 2.

В этом случае на время, необходимое для обмена одним байтом или словом данных (что составляет несколько тактов), процессор принудительно отключается от шин системной магистрали. Такой способ организации ПДП с захватом цикла является наиболее распространенным.

В отличие от режима прерывания, который вводится только после завершения текущей команды, режим ПДП вводится до ее завершения. Это связано с тем, что в режиме ПДП внутренние регистры процессора не используются, их содержимое не модифицируется, а следовательно, и не требуется запоминания в стеке.

Пдп с блокировкой процессора.

Этот режим отличается от ПДП с "захватом цикла" тем, что управление системным интерфейсом передается контроллеру ПДП не на время обмена одним байтом, а на время обмена блоком данных. В этом случае все вопросы, связанные с синхронизацией работы ПУ и ОП, также решаются контроллером ПДП (в режиме "захвата цикла" их фактически решал процессор). Такой режим ПДП особенно необходим в тех случаях, когда процессор не успевает выполнить хотя бы одну команду между очередными операциями обмена в режиме ПДП. В этом случае контроллер ПДП обязательно должен иметь средства для модификации адресов обмена и контроля объема переданного блока информации. Этот режим ПДП в современных ЭВМ является основным, поскольку современные ПУ, такие как жесткие и оптические диски, видеосистемы, принтеры, сканеры и т.д., всегда ведут обмен блоками информации существенного объема.

Следует отметить, что реальные контроллеры ПДП, как правило, могут работать в различных режимах организации ПДП, зачастую комбинированных, поэтому рассмотренные выше варианты организации ПДП являются весьма условными (особенно ПДП с блокировкой процессора и вариант 2 ПДП с захватом цикла).

Конкретные технические реализации каналов ПДП весьма разнообразны и определяются особенностями организации ЭВМ, используемого в ней процессора, обслуживаемого набора ПУ и т.д. Между тем можно сформулировать основные принципы работы большинства каналов ПДП и построить обобщенный алгоритм их функционирования. В частности, применение в ЭВМ обмена в режиме ПДП требует предварительной подготовки со стороны процессора:

- Для каждого ПУ необходимо выделить область памяти, используемой при обмене, и указать ее размер, т.е. количество записываемых в память или читаемых из памяти байтов (слов) информации. Следовательно, контроллер ПДП должен обязательно иметь в своем составе регистры адреса и счетчик байтов (слов).

- Перед началом обмена с ПУ в режиме ПДП процессор должен выполнять программу загрузки (инициализации). Эта программа обеспечивает запись в указанные регистры контроллера ПДП начального адреса выделенной области памяти (для данного ПУ) и ее размера в байтах или в словах в зависимости от того, какими единицами информации ведется обмен.

Вышеизложенное не относится к начальной загрузке программ в память микроЭВМ в режиме ПДП. В этом случае содержимое регистров адреса и счетчика байтов устанавливается перемычками или переключателями, т.е. принудительно заносится каким-либо способом.

1.6.6. Системные и локальные шины.

В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Например, процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью, с другой стороны, необходима связь процессора с устройствами ввода/вывода. Одним из простейших механизмов, позволяющих организовать взаимодействие различных подсистем, является единственная центральная шина, к которой подсоединяются все подсистемы. Доступ к такой шине разделяется между всеми подсистемами. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность. Поскольку такая шина является единственным местом подсоединения для разных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены, и одни и те же периферийные устройства можно даже применять в разных вычислительных системах, использующих однотипную шину. Стоимость такой организации получается достаточно низкой, поскольку для реализации множества путей передачи информации используется единственный набор линий шины, разделяемый множеством устройств.

Главным недостатком организации с единственной шиной является то, что шина создает узкое горло, ограничивая, возможно, максимальную пропускную способность ввода/вывода. Если весь поток ввода/вывода должен проходить через центральную шину, такое ограничение пропускной способности весьма реально. В коммерческих системах, где ввод/вывод осуществляется очень часто, а также в суперкомпьютерах, где необходимые скорости ввода/вывода очень высоки из-за высокой производительности процессора, одним из главных вопросов разработки является создание системы нескольких шин, способной удовлетворить все запросы.

Одна из причин больших трудностей, возникающих при разработке шин, заключается в том, что максимальная скорость шины главным образом лимитируется физическими факторами: длиной шины и количеством подсоединяемых устройств (и, следовательно, нагрузкой на шину). Эти физические ограничения не позволяют произвольно ускорять шины. Требования быстродействия (малой задержки) системы ввода/вывода и высокой пропускной способности являются противоречивыми. В современных крупных системах используется целый комплекс взаимосвязанных шин, каждая из которых обеспечивает упрощение взаимодействия различных подсистем, высокую пропускную способность, избыточность (для увеличения отказоустойчивости) и эффективность.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память, с другой стороны, сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. На этапе разработки системы, для шины процессор-память заранее известны все типы и параметры устройств, которые должны соединяться между собой, в то время как разработчик шины ввода/вывода должен иметь дело с устройствами, различающимися по задержке и пропускной способности.

Устройства ввода/вывода

Как правило периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства (осуществляющие как ввод данных в машину, так и вывод данных из компьютера). Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить скорость передачи данных (максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором).

Тип устройства	Направление передачи данных	Скорость передачи данных (Кбайт/с)
Клавиатура Мышь Голосовой ввод Сканер Голосовой вывод Строчный принтер Лазерный принтер Графический дисплей (ЦП (r) буфер кадра) Оптический диск Магнитная лента Магнитный диск	Ввод Ввод Ввод Ввод Вывод Вывод Вывод Вывод Вывод ЗУ ЗУ ЗУ	0.01 0.02 0.02 200.0 0.06 1.00 100.00 30000.00 200.0 500.00 2000.00 2000.00

1.7. Периферия ЭВМ.

Периферийные устройства, мыши, модем, принтер включаются через адаптеры. Взаимодействие происходит через интерфейс определяющий тип соединителя, уровень и длительность электрических сигналов протокола обмена. На техническом жаргоне стандартные последовательные и параллельные интерфейсы называют протоколами ввода вывода.