Всего на сайте:
148 тыс. 196 статей

Главная | Информатика

Система ввода/вывода  Просмотрен 161

Помимо центрального процессора (ЦП) и памяти, третьим ключевым элементом архитектуры ВМ является система ввода/вывода (СВВ). Система ввода/вывода призвана обеспечить обмен информацией между ядром ВМ и разнообразными внешними устройствами (ВУ). Технические и программные средства СВВ несут ответственность за физическое и логическое сопряжение ядра вычислительной машины и ВУ.

Технически система ввода/вывода в рамках ВМ реализуется комплексом модулей ввода/вывода (МВВ). Модуль ввода/вывода выполняет сопряжение ВУ с ядром ВМ и различные коммуникационные операции между ними. Две основные функции МВВ:

· обеспечение интерфейса с ЦП и памятью («большой» интерфейс),

· обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устройствами («малый» интерфейс).

Анализируя архитектуру известных ВМ, можно выделить три основных способа подключения СВВ к ядру процессора (рис. 1).

В варианте с раздельными шинами памяти и ввода/вывода (см. рис. 1, а) обмен информацией между ЦП и памятью физически отделен от ввода/вывода, поскольку обеспечивается полностью независимыми шинами. Это дает возможность осуществлять обращение к памяти одновременно с выполнением ввода/вывода. Кроме того, данный архитектурный вариант ВМ позволяет специализировать каждую из шин, учесть формат пересылаемых данных, особенности синхронизации обмена и т. п. В частности, шина ввода/вывода, с учетом характеристик реальных В У, может иметь меньшую пропускную способность, что позволяет снизить затраты на ее реализацию. Недостатком решения можно считать большое количество точек подключения к ЦП.

Рис. 1. Место системы ввода/вывода в архитектуре вычислительной машины: а — раздельными шинами памяти и ввода/вывода; б— с совместно используемыми линиями данных и адреса; в — подключение на общих правах с процессором и памятью

Второй вариант — с совместно используемыми линиями данных и адреса (см. рис. 1, б). Память и СВВ имеют общие для них линии адреса и линии данных, разделяя их во времени. В то же время управление памятью и СВВ, а также синхронизация их взаимодействия с процессором осуществляются независимо по раздельным линиям управления. Это позволяет учесть особенности процедур обращения к памяти и к модулям ввода/вывода и добиться наибольшей эффективности доступа к ячейкам памяти и внешним устройствам.

Последний тип архитектуры ВМ предполагает подключение СВВ к системной шине на общих правах с процессором и памятью (см.

рис. 1, в).

 

Как и обращение к памяти, операции ввода/вывода также предполагают наличие некоторой системы адресации, позволяющей выбрать один из модулей СВВ, а также одно из подключенных к нему внешних устройств. Адрес модуля и ВУ является составной частью соответствующей команды, в то время как расположение данных на внешнем устройстве определяется пересылаемой на ВУ информацией.

Адресное пространство ввода/вывода может быть совмещено с адресным пространством памяти или быть выделенным.

При совмещении адресного пространства для адресации модулей ввода/вывода отводится определенная область адресов (рис. 2). Обычно все операции с модулем ввода/вывода осуществляются с использованием входящих в него внутренних регистров: управления, состояния, данных. Фактически процедура ввода/вывода сводится к записи информации в одни регистры МВВ и считыванию ее из других регистров. Это позволяет рассматривать регистры МВВ как ячейки основной памяти и работать с ними с помощью обычных команд обращения к памяти, при этом в системе команд ВМ вообще могут отсутствовать специальные команды ввода и вывода. Так, модификацию регистров МВВ можно производить непосредственно с помощью арифметических и логических команд. Адреса регистрам МВВ назначаются в области адресного пространства памяти, отведенной под систему ввода/вывода.

Рис. 2. Распределение совмещенного адресного пространства

Такой подход представляется вполне оправданным, если учесть, что ввод/вывод обычно составляет малую часть всех операций, выполняемых вычислительной машиной, чаще всего не более 1% от общего числа команд в программе.

Сформулируем преимущества и недостатки совмещенного адресного пространства.

Достоинства совмещенного адресного пространства:

· расширение набора команд для обращения к внешним устройствам, что позволяет сократить длину программы и повысить быстродействие;

· значительное увеличение количества подключаемых внешних устройств;

· возможность внепроцессорного обмена данными между внешними устройствами, если в системе команд есть команды пересылки между ячейками памяти;

Недостатки совмещенного адресного пространства:

· сокращение области адресного пространства памяти;

· усложнение декодирующих схем адресов в СВВ;

Совмещенное адресное пространство используется в вычислительных машинах MIPS и SPARC. .

В случае выделенного адресного пространства для обращения к модулям ввода/вывода применяются специальные команды и отдельная система адресов. Это позволяет разделить шины для работы с памятью и шины ввода/вывода, что дает возможность совмещать во времени обмен с памятью и ввод/вывод. Кроме того, адресное пространство памяти может быть использовано по прямому назначению в полном объеме. В вычислительных машинах фирмы IBM и ВМ на базе процессоров фирмы Intel система ввода/вывода, как правило, организуется в соответствии с концепцией выделенного адресного пространства.

Достоинства выделенного адресного пространства:

· адрес внешнего устройства в команде ввода/вывода может быть коротким. В большинстве СВВ количество внешних устройств намного меньше количества ячеек памяти. Короткий адрес ВУ подразумевает такие же короткие команды ввода/вывода и простые дешифраторы;

· программы становятся более наглядными, так как операции ввода/вывода выполняются с помощью специальных команд;

· разработка СВВ может проводиться отдельно от разработки памяти.

Недостатки выделенного адресного пространства:

· ввод/вывод производится только через аккумулятор центрального процессора. Для передачи информации от ВУ в РОН, если аккумулятор занят, требуется выполнение четырех команд (сохранение содержимого аккумулятора, ввод из ВУ, пересылка из аккумулятора в РОН, восстановление содержимого аккумулятора);

· перед обработкой содержимого ВУ это содержимое нужно переслать в ЦП.

 

Связь ВМ с внешним миром осуществляется с помощью самых разнообразных внешних устройств. Каждое ВУ подключается к МВВ посредством индивидуальной шины.

Интерфейс, по которому организуется такое взаимодействие МВВ и ВУ, часто называют малым. Индивидуальная шина обеспечивает обмен данными и управляющими сигналами, а также информацией о состоянии участников обмена. Внешнее устройство, подключенное к МВБ, обычно называют периферийным устройством (ПУ).

Рис. 3. Структура внешнего устройства

Обобщенная структура ВУ показана на рис. 3. Интерфейс с МВВ реализуется в виде сигналов управления, состояния и данных. Данные представлены совокупностью битов, которые должны быть переданы в модуль ввода/вывода или получены из него. Сигналы управления определяют функцию, которая должна быть выполнена внешним устройством. Это может быть стандартная для всех устройств функция — посылка данных в МВВ или получение данных из него, либо специфичная для данного типа ВУ функция, такая, например, как позиционирование головки магнитного диска или перемотка магнитной ленты. Сигналы состояния характеризуют текущее состояние устройства, в частности включено ли ВУ и готово ли оно к передаче данных.

Логика управления — это схемы, координирующие работу ВУ в соответствии с направлением передачи данных. Задачей преобразователя является трансформация информационных сигналов, имеющих самую различную физическую природу, в электрические сигналы, а также обратное преобразование. Обычно совместно с преобразователем используется буферная память, обеспечивающая временное хранение данных, пересылаемых между МВВ и ВУ.

 

Модуль ввода/вывода в составе вычислительной машины отвечает за управление одним или несколькими ВУ и за обмен данными между этими устройствами с одной стороны, и основной памятью или регистрами ЦП — с другой. Структура МВВ в значительной мере зависит от числа и сложности внешних устройств, которыми он управляет, однако в самом общем виде такой модуль можно представить в форме, показанной на рис.5.

Связь модуля ввода/вывода с ядром ВМ осуществляется посредством системной или специализированной шины. С этой стороны в МВВ реализуется так называемый «большой» интерфейс, например PCI. Большие различия в архитектуре систем команд и шин ВМ являются причиной того, что со стороны «большого» интерфейса модули ввода/вывода достаточно трудно унифицировать, и часто МВВ, созданные для одних ВМ, не могут быть использованы в других. Тем не менее в структурном плане они достаточно схожи.

Данные, передаваемые в модуль и из него, буферизируются в регистре данных. Буферизация позволяет компенсировать различие в быстродействии ядра ВМ и внешних устройств. Разрядность регистра, как правило, совпадает с шириной шины данных со стороны «большого» интерфейса (2, 4 или 8 байт). В свою очередь, большинство ВУ ориентировано на побайтовый обмен информацией.

Побайтовая пересылка информации по «широкой» системной шине — крайне неэффективное решение, поэтому со стороны «малого» интерфейса регистр данных часто дополняют узлом упаковки/распаковки (на схеме не показан).

Рис. 5. Структура модуля ввода/вывода

Этот узел при вводе обеспечивает последовательное побайтовое заполнение регистра данных (упаковку), а при выводе — последовательную побайтовую выдачу содержимого регистра на ВУ (распаковку). В результате при обмене данными через «большой» интерфейс занята вся ширина шины данных. В МВВ, рассчитанных на работу с большим числом ВУ, могут входить несколько регистров данных, что позволяет независимо хранить текущие данные каждого из внешних устройств.

Помимо регистра данных в составе МВВ имеются также регистр управления и регистр состояния (либо совмещенный регистр управления/состояния).

В регистре управления (РУ) фиксируются поступившие из ЦП команды управления модулем или подключенными к нему внешними устройствами. Отдельные разряды регистра могут представлять такие команды, как очистка регистров МВВ, сброс ВУ, начало чтения, начало записи и т. п. В сложных МВВ присутствует несколько регистров управления, например регистр управляющих сигналов для модуля в целом и отдельные РУ для каждого из ВУ.

Регистр состояния (PC) служит для хранения битов состояния МВВ и подключенных к нему ВУ. Содержимое определенного разряда регистра может характеризовать, например, готовность устройства ввода к приему очередной порции данных, занятость устройства вывода или нахождение ВУ в автономном режиме (offline).

Процедура ввода/вывода предполагает возможность работы с каждым регистром МВВ или внешним устройством по отдельности. Такая возможность обеспечивается системой адресации. Каждому модулю в адресном пространстве ввода/ вывода (совмещенном или раздельном) выделяется уникальный набор адресов, количество адресов в котором зависит от числа адресуемых элементов. Поступивший из ЦП адрес с помощью селектора адреса проверяется на принадлежность к диапазону, выделенному данному МВВ. В случае подтверждения дешифраторDC выполняет раскодирование адреса, разрешая работу с соответствующим регистром модуля или ВУ.

Узел управления вводом/выводом по сути играет роль местного устройства управления МВБ. На него возлагаются две задачи: обеспечение взаимодействия с ЦП и координация работы всех составляющих МВВ. Связь с ЦП реализуется посредством линий управления, по которым из ЦП в модуль поступают сигналы, служащие для синхронизации операций ввода и вывода. В обратном направлении передаются сигналы, информирующие о происходящих в модуле событиях, например сигналы прерывания. Часть линий управления может задействоваться модулем для арбитража. Вторая функция узла управления реализуется с помощью внутренних сигналов управления.

Со стороны «малого» интерфейса МВВ обеспечивает подключение внешних устройств и взаимодействие с ними. Каждое из внешних устройств «обслуживается» своим узлом «малого» интерфейса, который реализует принятый для данного ВУ стандартный протокол взаимодействия.

При управлении широким спектром ВУ модуль должен по возможности освобождать ЦП от знания деталей конкретных ВУ, так чтобы ЦП мог управлять любым устройством с помощью простых команд чтения и записи. МВВ при этом берет на себя задачи синхронизации, согласования форматов данных и т. п.

Модуль ввода/вывода, который берет на себя детальное управление ВУ и общается с ЦП только с помощью команд высокого уровня, часто называют каналом ввода/вывода или процессором ввода/вывода. Наиболее примитивный МВВ, требующий детального управления со стороны ЦП, называют контроллером ввода/ вывода или контроллером устройства. Как правило, контроллеры ввода/вывода типичны для микроЭВМ, а каналы ввода/вывода — для универсальных ВМ типа mainframe.

 

Предыдущая статья:Развитие службы лесоустройства в Беларуси Следующая статья:Особливості клітин кістки
page speed (0.0123 sec, direct)