9. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА ДАННЫХ.
Любая микропроцессорная система помимо процессора и основной памяти, образующих её ядро, содержит разнообразные периферийные устройства.
Периферийные устройства предназначены для хранения больших объёмов информации (внешние ЗУ) и для ввода в систему и вывода из неё информации, в том числе для регистрации и отображения последней (устройства ввода-вывода).
Связь устройств МПС друг с другом осуществляется с помощью сопряжений, называемых интерфейсами.
Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.
Интерфейсы и образуют систему ввода-вывода.
В общем случае система ввода-вывода должна обеспечивать:
Возможность реализации вычислительных систем с различным набором периферийных устройств с тем, чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) системы в соответствии с её назначением и легко дополнять систему новыми устройствами.
Параллельную во времени работу микропроцессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.
Стандартное программирование операций ввода-вывода, независимость его от особенностей того или иного периферийного устройства.
Основными путями решения указанных проблем являются:
Модульный принцип проектирования средств вычислительной техники. Суть этого принципа заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей, которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться. Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части вычислительной системы никаких других изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.
Использование унифицированных форматов данных, которыми периферийные устройства обмениваются с ядром МПС. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных периферийных устройств, производится в блоках управления периферийными устройствами.
Использование унифицированных формата и набора команд микропроцессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым периферийным устройством представляет для микропроцессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного периферийного устройства, типа его носителя и т.п.
Применение унифицированных интерфейсов.
Для обеспечения параллельной во времени работы микропроцессора и периферийных устройств, схемы управления вводом-выводом отделяют от МП и придают им достаточную степень автономности.
Многие функции управления операциями ввода-вывода, как, например, управление прямым доступом к памяти, являются общими, они не зависят от типа периферийного устройства. Другие функции являются специфичными для данного типа устройств.
Выполнение общих функций возлагают на унифицированные устройства – контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры (каналы) ввода-вывода, а специфических – на специализированные блоки управления, часто называемые адаптерами.
9.1. Способы обмена данными между устройствами
вычислительной системы.
В системах ввода-вывода используются два основных способа организации обмена данными: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти.
Программно-управляемый обмен данными осуществляется при непосредственном участии и под управлением МП.
Данные между основной памятью и периферийным устройством (ПУ) пересылаются через МП:
Операция ввода-вывода инициируется текущей командой прог-
раммы или
запросом прерывания от периферийного
устройства.
ОП
МП
ПУ
вывода, отвлекаясь от выполнения основной программы.
Программно-управляемый способ может быть эффективен только
для операций ввода-вывода отдельных байт (слов) и поэтому используется для обмена данными между МП и другими устройствами вычислительной системы.
В случае же обмена блоками данных между памятью и периферийным устройством при использовании этого способа МП придётся для каждой единицы блока (байта или слова) выполнять довольно много команд, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчёт количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п.
В результате скорость передачи данных окажется недостаточной для работы с высокоскоростными периферийными устройствами (например, с ЗУ на дисках и барабанах, с АЦП и т.п.). Более того, эта скорость может оказаться вообще неприемлемой для систем, работающих в реальном масштабе времени.
Кроме того, операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать логически сложную быстродействующую аппаратуру процессора.
Поэтому для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки МП от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти.
Прямым доступом к памяти (ПДП) называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от микропроцессора установление связи и передачу данных между основной памятью и периферийным устройством.
ПДП освобождает МП от управления операциями ввода-вывода, позволяет совмещать во времени выполнение программы с обменом данными между периферийным устройством и основной памятью, причём производить этот обмен со скоростью, ограниченной только пропускной способностью памяти или периферийного устройства.
Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП. При этом возможно использование как общей, так и отдельной шины для связи с памятью:
ОП
МП
Контроллер ПДП
ПУ
Инициирование
ПДП
Контроллер
ПДП выполняет следующие
функции:
а)
управление инициируемой МП или ПУ
передачей
данных между ОП и ПУ;
б) задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, исполь- зуемой при передаче;
в) формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче;
г) подсчёт числа единиц данных (байт, слов), передаваемых от ОП в ПУ или обратно, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.
Структурная схема контроллера ПДП включает один или несколько буферных регистров РгБ, регистр-счётчик текущего адреса данных РгТАД, счёт-чик текущих данных СчТД и устройство управления УУ.
ОП
РгТАД
СчТД
УУ
РгБ
ПУ
При
инициировании операции ввода-вывода
в СчТД
заносится размер передаваемого блока
(число байт
или слов), а в РгТАД – начальный
адрес используемой
области памяти.
С передачей каждой единицы блока содер- жимое РгТАД увеличивается на 1. При этом формируется адрес очередной ячейки ОП, учас- твующей в передаче.
Одновременно уменьшается на 1 содержи- мое СчТД.
Обнуление СчТД указывает на завершение передачи.
Контроллер ПДП по сравнению с микропроцессором обычно имеет более высокий приоритет в занятии цикла памяти.
Управление памятью переходит к контроллеру ПДП сразу после завершения цикла её работы, выполняемого для текущей команды МП.
Высокая скорость обмена данными обеспечивается ПДП за счёт управления обменом аппаратными, а не программными средствами.