Глава 11. Назначение периферийных устройств

Глава 11. НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

11.1. Классификация периферийных устройств

Внешние устройства предназначены для обеспечения нормального функционирования ЭВС и для коммуникации центральных устройств с внешними источниками и потребителями информации.

К внешним относятся вспомогательные устройства, такие, как устройства электропитания и аппаратура интерфейса питания, стабилизаторы напряжения, устройства защиты от перегрузок, устройства кондиционирования и вентиляции, счетчики времени и электронные часы а также сервисная аппаратура для автономной проверки работоспособности плат

иблоков.

Вразработке и производстве вспомогательной аппаратуры на современном этапе достигнуты определенные успехи. Что же касается устройств ввода-вывода, стоимость которых в современных вычислительных системах достигает порой половины стоимости всей ВС, то, несмотря на имеющиеся достижения, эти устройства еще не совершенны. Основная проблема заключается в большом отличии по быстродействию процессора и устройств ввода-вывода. Существуют два аспекта этой проблемы: ограниченное быстродействие периферийного оборудования и ограничение скорости, с которой человек (либо внешняя среда) способен воспринимать и генерировать информацию.

Вторая проблема - более низкие, чем у центральных устройств, показатели ожидаемой надежности функционирования ввиду наличия у большинства периферийных устройств электромеханических блоков. Третью проблему породила ориентация применения ЭВМ, особенно персональных, на компьютерно “неграмотного” пользователя, потребовавшая обеспечения максимального удобства общения с ЭВМ.

Рассмотренные в предыдущих главах внешние запоминающие устройства разных типов так же, как и устройства ввода-вывода информации, которым посвящена данная третья часть учебника, зачастую относят к периферийным устройствам, так что выделение ВЗУ в самостоятельную группу устройств ЭВС довольно условно, хотя оно и оправдывается более тесной их взаимосвязью с внутренней памятью, особенно при динамическом распределении и организации виртуальной памяти.

Основное назначение периферийных (внешних) устройств (ПУ) ЭВС - организация входных и выходных потоков управляющей информации, данных для обработки и результатов вычислений. Таким образом, периферийное устройство - это любое отличное от центрального процессора оборудование, обеспечивающее коммуникацию вычислительной системы с внешними источниками и потребителями информации. Для этого ПУ обеспечивают согласование информационных и физических характеристик внешних объектов и сигналов, используемых в ЭВС. Эта связь поддерживается посредством преобразования в устройствах ввода (Увв) разнообразных форм представления информации (символ, изображение, цвет, звук, непрерывно изменяющиеся параметры объекта наблюдения или управления) в цифровые машинные коды и, наоборот, преобразование с помощью устройств вывода (Увыв) результатов обработки из машинных кодов в фор-

му, удобную для восприятия человеком или пригодную для воздействия на исполнительные органы объекта управления.

Как назначение, так и разновидность ПУ в вычислительной системе зависят от самой ВС и от характера решаемых задач.

По назначению ПУ могут быть разбиты на три группы: регистрирующие, оперативные и автоматические. Регистрирующие Увыв - устройства, использующие промежуточные носители (например, магнитоносители) для длительного хранения информации в виде, пригодном для последующего использования в ЭВС или в виде, удобном для использования человеком (графики, таблицы, печатный текст, чертежи).

Оперативные УВВ - устройства непосредственного, оперативного, взаимодействия оператора с ЭВМ, предназначенные для организации диалога между ЭВМ и человеком в процессе отладки программ и решения задач. Это оперативные Увв (клавиатура, световое перо, дигитайзеры, микрофон) и средства отображения (СО) результатов - цифровые индикаторы, экраны, звуковые сигнализаторы.

Автоматические УВВ - устройства связи с объектом, предназначенные для ввода в

ЭВС данных непосредственно с объектов автоматизации и выдачи управляющих воздействий на объекты. Это аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Сюда же можно отнести и читающие автоматы - сканеры.

Для большинства типов УВв существуют соответствующие Увыв, оперирующие с одинаковыми по форме сигналами и носителями: ленточный перфоратор - ленточный перфосчитыватель; графопостроитель (плоттер) - графический оцифровщик (дигитайзер).

Иногда Увв и Увыв объединены функционально и конструктивно: экран на электрон- но-лучевой трубке (ЭЛТ) и световое перо - графический дисплей; электронный блокнот (ноутбук); УВыв на магнитный диск и УВв с магнитного диска - накопитель на МД. Такие периферийные устройства называются совмещенными.

Большинство УВВ информации содержат электромеханические узлы, скорость работы которых значительно ниже скорости ЭВС. Поэтому большие ЭВМ снабжаются большим числом УВВ. Каждое устройство при этом может работать параллельно с другими и независимо от них, что повышает производительность ЭВМ.

За основу классификации УВв и УВыв возьмем один из основных параметров - быстродействие, оценивающееся количеством байтов информации, передаваемым в секунду. По этому признаку а также по функциональному назначению УВВ можно разделить на три группы: низкоскоростные (порядка 10 байтов/с), среднескоростные (от 100 до 1000 байтов/ с) и высокоскоростные (от 104 до 106 байтов/с). На рис. 11.1 и 11.2 приведены классификации устройств ввода и вывода соответственно.

АЦП и ЦАП могут принадлежать к любой из трех групп УВВ в зависимости от скорости протекания процессов, за которыми ведется наблюдение или управление.

Модемы - устройства, модулирующие и демодулирующие сигналы, передаваемые с помощью средств связи в случае использования каналов связи для коммутации ЭВС в вычислительных сетях, занимают промежуточное значение между низкоскоростными и среднескоростными УВВ.

Устройства подготовки данных (УПД) предназначены для автономного ручного нанесения информации на машинные носители разных типов: перфоленты, магнитные носители; сюда же могут быть отнесены и устройства записи на оптические WORM диски.

В последующих главах и разделах основное внимание будет уделено сложным по своему устройству и функционированию УВВ из получившей широкое распространение серийной периферии (сканеры, плоттеры, дигитайзеры, дисплеи) а также перспективным устройствам, находящимся на стадии разработки и совершенствования (УВВ рукописных текстов, речевых сообщений), некоторые из которых были рассмотрены ранее (голографические ВЗУ, ВЗУ на магнитооптических дисках, на ЦМД-содержащих материалах).

Более простые электромеханические УВВ, такие, как наборные поля и клавиатура, принтеры, перфораторы и перфосчитыватели, самописцы и устройства считывания графиков а также средства коллективного отображения информации - табло, экраны, мнемосхемы рассматриваться не будут, хотя они и широко распространены в ЭВМ и системах. Все эти устройства, так же, как и подробно рассматриваемые далее, выполняют преобразование формы вводимой от источника на обработку в центральные устройства информации в машинные коды и обратное преобразование машинных кодов результатов обработки в требуемую потребителем информации форму.

11.2. Проблемы системы “оператор - ЭВМ” как частного случая системы “человек - машина”

С целью рационального конструирования оперативных УВВ продолжаются работы по изучению “рабочих характеристик” операторов ЭВМ. Было замечено, что различия в эффективности деятельности отдельных пользователей перекрывают различия, обусловленные типом ЭВМ. Первые достижения в области взаимодействия (диалога) человека с ЭВМ были получены в 60-х годах при разработке оборонных систем управления, действующих в реальном масштабе времени. Операторы работали за пультом управления, оборудованным буквенно-цифровой клавиатурой, переключателями а также наборными дисками с надписями, с помощью которых можно было составлять сообщения и передавать их в ЭВМ. На панели управления были смонтированы устройства отображения на ЭЛТ - дисплеи. Работать за таким пультом мог любой оператор.

Тогда же в связи с ростом быстродействия и объема памяти появились “разговорные” языки и системы с разделением времени (система открытого доступа, мультипрограммная система). Этой системе предшествовала система пакетной обработки (или система закрытого типа), когда задачи собираются и пропускаются по одной, в порядке очереди. Слово “пакетная” произошло от пакета перфокарт, на которых раньше подготавливались программы и данные для ввода в ЭВМ. Оператор был связан с машиной лишь косвенно. Время обращения (промежуток времени между подачей задачи и получением результата) в стандартных системах пакетного типа измерялось днями и часами.

В системах с разделением времени пользователь имеет непосредственный доступ к машине. Он “делит” машину с другими пользователями, работающим над не связанными между собой задачами. Они пользуются своими ПУ и имеют быстрый непосредственный доступ к машине. Результат может быть получен за несколько минут. Режим разделения времени позволяет быстро отладить программу. Кроме того, по мере работы неквалифицированного пользователя в таком режиме начинает сказываться эффект обучения и адаптации. Однако было замечено, что профессиональные операторы - программисты - склонны тратить на один запрос больше времени, чем непрофессиональные пользователи. Пытаясь сэкономить свое время, они выходят на машину с плохо составленными и непроверенными программами.

На рис. 11.3 показан процесс взаимодействия во времени оператора с ЭВМ, реализуемый в системе с разделением времени. Здесь цифрами обозначены: 1 - оператор начинает ввод строки; 2 - завершает ввод строки; 3 - начало вывода программы; 4 - конец вывода программы; 5 - программа требует продолжить ввод; 6 - исполнение программы в течение отдельных квантов времени. Цикл пользователя - время, затраченное на обдумывание, ввод с клавиатуры и ожидание ответа, выдаваемого ЭВМ, за одно обращение. Как видно из рисунка, время, уходящее на ввод и вывод гораздо больше времени собственно полезных вычислений. Это время используется для обработки данных по программам других пользователей.

Рис. 11.3. Процесс взаимодействия оператора с ЭВМ в режиме разделения времени

Рассмотрим статистические данные, характеризующие деятельность пользователей на примере работы серийной ЭВМ средней производительности типа JOSS по проекту МАС в вычислительном центре коллективного пользования Массачусетского технологического колледжа. В течение недели было обслужено 77 разных пользователей. В среднем в день обращался 31 пользователь, проводя 49 сеансов работы за пультом. Сеанс работы за пультом в среднем продолжался 58 мин, причем 50 сеансов продолжались менее 35 мин.

В течение 18% всего времени ЭВМ находилась в состоянии насыщения, обслуживая одновременно 8 пользователей. В течение 4% всего времени кто-нибудь из пользователей стоял в очереди, ожидая обслуживания своего запроса. В среднем число одновременно работавших пользователей составляло 5,7.

Скорость ввода составляла 1,9 строки/мин на одного пользователя, скорость вывода - 3,9 строки/мин. Это означает, что на каждого пользователя каждые 10 с приходилась одна строка входной или выходной информации.

Средняя продолжительность цикла, равная 34 с, слагается из 10 с, в течение которых ЭВМ “воспринимает” сообщение и выдает ответ, и из около 24 с, затрачиваемых оператором на размышления и набор нового сообщения.

Следует учесть важное отличие в характере работы оператора на серийных ЭВМ широкого применения от работы в специализированных ВС, действующих в реальном масштабе времени. В военных системах управления операторы-военнослужащие постоянно находятся за пультом управления. Они наблюдают за воздушной обстановкой в зоне ПВО и принимают при ее изменении необходимые меры. В оперативных системах ведения банковских и бухгалтерских счетов, в системах заказов билетов на транспорт и других им подобных пользователи (операторы, кассиры, бухгалтеры) обращаются к ЭВМ на протяжении всего рабочего дня. В отличие от такого постоянного контакта, специфичного для систем, работающих в реальном масштабе времени, пользователь в системе с разделением времени обращается к пульту только по мере надобности, в течение небольшого периода, и большую часть времени работает “вручную”. Отсюда следует, что при проектировании УВВ для тех и других систем должны учитываться большие отличия в характере общения операторов с ЭВМ.

Пример. Определить число пользователей N , могущих одновременно подключаться к ЭВМ в системе с разделением времени с тем, чтобы не происходило насыщения системы. Полученные за три месяца работы по проекту МАС статистические данные следующие: 300 пользователей находились в контакте с ВС в течение 112 ч. За это время реализовано 8·104 команд. 10% использования пришлось на долю штатных программистов, остальное связано с деятельностью исследователей, занятых различной тематикой. Статистические данные, характеризующие деятельность пользователей, приведены в табл.11.1.

Таблица 11.1. Статистические характеристики операторов ВС коллективного пользования

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

_____________________________________________________________

В таблице t проц представляет собой сумму квантов машинного времени (отрезки 6 на рис. 11.3), затраченных на обслуживание одного запроса. Это время необходимо для получения законченной реакции на одну команду.

Расчет проводим по формуле

N = t обд 3 / (t проц + t зам ).

Подставив значения, получим

N = 35,2 / (0,88 + 0,56) = 24,4 (чел.).

То есть, если каждый пользователь на каждые 35 с обдумывания нуждается в среднем в 1,44 с машинного времени, то насыщение данной системы наступает при подключении к ней 24 пользователей и больше. Увеличение числа пользователей (и числа периферийных устройств) приведет к вынужденным ожиданиям в очереди, но при этом продуктивность их мышления не будет повышаться.

Таким образом, при проектировании ВС уже на ранней стадии следует оценить с точки зрения ожидаемых затрат все возможные компромиссные варианты по всем пунктам: тип решаемых задач, характер программ, квалификация пользователя, с тем, чтобы выяснить, сколько необходимо ПУ и с какими характеристиками. При этом не следует исходить из положения, что более быстрые УВВ - всегда лучшие.

Характер затрат времени процессора при выполнении наиболее распространенных программ представлен на рис. 11.4, который позволяет судить о времени обработки одного запроса t проц в системе с разделением времени. На рисунке по оси ординат отложена плотность вероятности, то есть относительная частота использования для различных программ: 1 - система программирования устройств отображения произвольной информации; 2 - оперативный компилятор в системе управления; 3 - программа, предназначенная для организации структуры данных; 4 - справочная и информационно-поисковая система; 5 - телетайпный интерпретатор; 6 - программы для обработки информации в форме списков и программы- редакторы текста; 7 - прочие типичные объектные программы.

Как видно из этого рисунка, между программами имеется существенная разница в отношении времени работы процессора, и поэтому количество одновременно подключенных ПУ может быть разным. Во время сбора этой статистики было замечено, что по мере накопления пользователями опыта работы в режиме разделения времени начинает сказы ваться эффект обучения и адаптации.

Чем же обусловлено малое по сравнению с ЭВМ быстродействие человека-опера- тора?

Емкость памяти человека довольно высокая, порядка 109 бит (подсчет проводился по количеству нейронов. К сожалению, при жизни человеком не используется большая часть памяти). Для сравнения можно указать, что количество информации книжного фонда Государственной библиотеки РФ около 1015 бит. Кратковременная память обладает очень малой емкостью, около 3 байт, и за короткий период наблюдения человек может запомнить и повторить названия всего от 5-ти до 9-ти объектов (так называемое “магическое число” инженерной психологии).

Скорость восприятия оператором внешней информации весьма низка. Порядка 70% информации человек воспринимает зрительными органами, причем пропускная способность сетчатки глаза равна 107 бит/с. Казалось бы, это достаточно высокие значения, но исследования показали, что максимальное число одновременно воспринимаемых предметов равно опять таки лишь 5-ти - 9-ти у разных операторов. Поэтому реальная средняя скорость восприятия зрительной информации оценивается в 25 бит/с.

При считывании с экрана ЭЛТ при равновероятном появлении символов пропускная способность операторов C равна:

C=(n·log 2 R)/T,

где n - число правильно считанных символов, R - длина алфавита, T - время отображения всей поступившей информации. Пропускная способность при работе за дисплеем зависит и от типа решаемых задач. При подстановке в формулу средних значений параметров “рабочих характеристик” оператора, собранных опытным путем, получены следующие значения С : при чтении “про себя” - 45 бит/с, при громком чтении - 30 бит/с, корректорская работа - 18 бит/с, набор на клавиатуре - 16 бит/с.

Скорость вывода звуковой информации не должна превышать 1,2 бит/с, иначе она плохо воспринимается человеком. Правда, эта скорость может быть несколько повышена при восприятии связанной речи, что определяется лексической, лингвистической и грамматической особенностями построения речевых сообщений.

Такая низкая скорость восприятия информации человеком объясняется малой скоростью распространения возбуждения вдоль волокон нервной системы, составляющей 100 - 150 м/с. Скорость обработки информации ЭВМ определяется скоростью протекания электронных процессов в элементах, блоках и устройствах ЭВС и скоростью передачи информации, которые несоизмеримо выше скорости восприятия человеком информации, ее обдумывания и выдачи реакции на нее. Совершенствование периферийных устройств в сторону