Модуль 2. Місце системи введення-виводу складі обчислювальної системи і її структура

Заняття № ___.

Місце системи введення-виводу складі обчислювальної системи і її структура. Особливості реалізації інтерфейсів.| (4 год)

План:

1. Функції системи вводу-виводу (СВВ). Поняття СВВ. Загальна структура СВВ. Класифікація СВВ.

2. Центрально-синхронний та паралельно-асинхронний принципи керування.

3. Канал вводу-виводу. Основні функції та характеристики каналу вводу-виводу. Типи каналів вводу-виводу.

4. Поняття інтерфейсу та його характеристики.

5. Вибір шин по їх класифікації технічним характеристикам взаємозв'язку.

6. Стандарти системних інтерфейсів.

7. Стандарти локальних інтерфейсів.

8. Інтерфейс малих обчислювальних систем SCSI|. Інтерфейс IDE|.

С точки зрения физического рассмотрения вопроса структуры СВВ существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д. Часть этих устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера, часть – вынесена за его пределы и общаться с компьютером через различные линии связи: кабельные, оптоволоконные, радиорелейные, спутниковые и т. д. Конкретный набор устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом наборе принципов. Мы будем рассматривать только принципы взаимодействия ПУ.

Основные принципы взаимодействия ПУ с вычислительной системой:

1. ПУ подключаются к системной шине (СШ) через цепочку «адаптер ПУ (АПУ)—порт ввода-вывода (ПВВ)».

2. АПУ (контроллер) выполняет две основные функции: 1) осуществляет непосредственное управление ПУ по запросам от МП; 2) обеспечивает согласование интерфейса ПУ с СШ.

3. ПВВ обеспечивает непосредственное подключение АПУ к СШ. Каждый ПВВ имеет свой адрес, аналогичный адресу в ОЗУ, но содержащийся в другом адресном пространстве. Одному ПУ может быть приписано несколько ПВВ. Каждое стандартное ПУ закреплено за ПВВ с определённым адресом.

4. Адаптеры интерфейсов (АИ), либо просто интерфейсы, выполняют роль согласующих звеньев для сопряжения центральной части ЭВМ с ПУ, интерфейсы которых стандартизированы. Примеры: параллельный интерфейс Centronics, последовательный интерфейс RS232C.

Задача СВВ состоит в организации и управлении процессом передачи информации от ПУ в ОЗУ машины при вводе и в обратном направлении при выводе, т. е. выполнении операций ввода-вывода.

Основные функции СВВ:

– преобразование квантов информации, принимаемых от ПУ при вводе, в форматы МП и ОП; обратное преобразование;

– определение места в ОП, где должен быть размещён сформированный машинный квант при вводе и откуда должен быть выбран при выводе, т. е. формирование текущего адреса ОП;

– формирование управляющих сигналов для работы ПУ в различных режимах, задание типа выполняемой операции в ПУ и т. д.;

– получение и обработка сигналов, характеризующих состояние ПУ;

– получение приказов от центральных устройств на выполнение операций ввода-вывода, формирование сообщений о состоянии СВВ;

– синхронизация процессов центральных устройств и ПУ, согласование скоростей их работы.

Простейшая реализация перечисленных функций возможна при центрально-синхронном принципе управления. При этом синхронизация всех устройств ЭВМ осуществляется от единого центрального устройства управления, а все передачи данных от ПУ или к нему производятся через АЛУ. В этом случае все операции обработки и ввода-вывода должны выполняться последовательно.

Чтобы избежать потерь времени, должен быть реализован асинхронный принцип управления, обеспечивающий независимость работы ПУ, ОЗУ и АЛУ.

Для организации совмещения операций обработки и ввода-вывода информации при асинхронном принципе управлении применяются следующие основные средства: приостановки и прерывания. Эти средства обеспечивают возможность взаимодействия асинхронно протекающих процессов. Приостановка — процесс, при котором средства управления, работающие автономно от ЦП, задерживают его работу на время цикла памяти, при этом ОЗУ непосредственно занято приёмом или выдачей информации для другого устройства. Во время приостановок текущее состояние процессора не меняется, но выполнение команды задерживается до освобождения ОЗУ.

Приостановки обеспечивают высокую степень совмещения операций обработки и ввода-вывода, которая тем выше, чем меньше длительность цикла памяти относительно длительности команды процессора.

Прерывание — процесс переключения ЦП с одной программы на другую по внешнему сигналу с сохранением информации для последующего возобновления прерванной программы. Необходимость в прерывании возникает в том случае, если некоторое внешнее по отношению к ЦП событие требует от него немедленной реакции. Процесс прерывания: ПУ при возникновении события, требующего реакции со стороны ЦП, формирует сигнал, называемый запросом прерывания. Он может поступать в ЦП в произвольные моменты времени асинхронно по отношению к выполнению программы, поэтому запросы прерываний запоминаются в регистре запросов прерываний. Обработка прерывания включает в себя этапы запоминания состояния прерываемой программы и перехода к выполнению прерывающей программы; выполнения прерывающей программы; восстановления состояния прерванной программы и возврата к её выполнению.

КВВ представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации, управления обменом и непосредственной передачи данных между ОП и ПУ. КВВ образует маршрут передачи данных между ОП и ПУ и осуществляет управление обменом, начиная от установления связи и кончая завершением передачи и разрушением установленной связи.

Основные функции КВВ можно разделить на три группы: 1) функции по установлению логической связи между ПУ и ОП, т. е. образование «канала» для передачи данных; 2) функции передачи данных между ПУ и ОП; 3) функции завершения обмена и разрушения «канала».

Эти функции КВВ реализуются различными сочетаниями аппаратных и программных средств. Выделяют два способа реализации — программный КВВ и прямой доступ к памяти.

В простейшем случае процессор, память и многочисленные внешние устройства связаны большим количеством электрических соединений - линий, которые в совокупности принято называть локальной магистралью компьютера. Внутри локальной магистрали линии, служащие для передачи сходных сигналов и предназначенные для выполнения сходных функций, принято группировать в шины. При этом понятие шины включает в себе не только набор проводников, но и набор жестко заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который может быть передан с помощью электрических сигналов по этим проводникам. В современных компьютерах выделяют, как минимум, три шины:

1. Шину данных, состоящую из линий данных и служащую для передачи информации между процессором и памятью, процессором и устройствами ввода-вывода, памятью и внешними устройствами.

2. Адресную шину, состоящую из линий адреса и служащую для задания адреса ячейки памяти или указания устройства ввода-вывода, участвующих в обмене информацией.

3. Шину управления, состоящую из линий управления локальной магистралью и линий ее состояния, определяющих поведение локальной магистрали. В некоторых архитектурных решениях линии состояния выносятся из этой шины в отдельную шину состояния.

Количество линий, входящих в состав шины, принято называть разрядностью (шириной) этой шины. Ширина адресной шины, например, определяет максимальный размер оперативной памяти, которая может быть установлена в вычислительной системе. Ширина шины данных определяет максимальный объем информации, которая за один раз может быть получена или передана по этой шине.

Операции обмена информацией осуществляются при одновременном участии всех шин. Рассмотрим, к примеру, действия, которые должны быть выполнены для передачи информации из процессора в память. В простейшем случае необходимыми являются три действия:

1. На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу ячейки памяти, в которую будет осуществляться передача информации.

2. На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть записана в память.

3. После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с памятью, что приведет к занесению необходимой информации по требуемому адресу.

Внешние устройства разнесены пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода. Тем не менее, точно так же, как ячейки памяти взаимно однозначно отображались в адресное пространство памяти, порты ввода-вывода можно взаимно однозначно отобразить в другое адресное пространство – адресное пространство ввода-вывода. При этом каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве. В некоторых случаях, когда адресное пространство памяти (размер которого определяется шириной адресной шины) задействовано не полностью (остались адреса, которым не соответствуют физические ячейки памяти), и протоколы работы с внешним устройством совместимы с протоколами работы с памятью, часть портов ввода-вывода может быть отображена непосредственно в адресное пространство памяти (так, например, поступают с видеопамятью дисплеев), правда тогда эти порты уже не принято называть портами. Надо отметить, что при отображении портов в адресное пространство памяти для организации доступа к ним в полной мере могут быть задействованы существующие механизмы защиты памяти без организации специальных защитных устройств.

В ситуации прямого отображения портов ввода-вывода в адресное пространство памяти действия, требуемые для записи информации и управляющих команд в эти порты или для чтения данных из них и их состояний, ничем не отличаются от действий, производимых для передачи информации между оперативной памятью и процессором, и для их выполнения применяются те же самые команды. Если же порт отображен в адресное пространство ввода-вывода, то процесс обмена информацией инициируется специальными командами ввода-вывода и включает в себя несколько другие действия. Например, для передачи данных в порт необходимо выполнить следующее:

1. На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу порта, в который будет осуществляться передача информации, в адресном пространстве ввода-вывода.

2. На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть передана в порт.

3. После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с устройствами ввода-вывода (переключение адресных пространств!), что приведет к передаче необходимой информации в требуемый порт.

Существенным отличием памяти от устройств ввода-вывода является то, что занесение информации в память является окончанием операции записи, в то время как занесение информации в порт зачастую является инициализацией реального совершения операции ввода-вывода. Что именно должны совершать устройства, приняв информацию через свой порт, и каким именно образом они должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется электронными схемами устройств, получившими названия контроллеров. Контроллер может непосредственно управлять отдельным устройством (например, контроллер диска), а может управлять несколькими устройствами, связываясь с их контроллерами посредством специальных шин ввода-вывода (шина IDE, шина SCSI и т.д.).

Современные вычислительные системы могут иметь разнообразную архитектуру, множество шин и магистралей, мосты для перехода информации от одной шины к другой и т.п. С точки зрения нашего рассмотрения важными является только следующие моменты:

§ Устройства ввода-вывода подключаются к системе через порты.

§ Могут существовать два адресных пространства: пространство памяти и пространство ввода-вывода.

§ Порты, как правило, отображаются в адресное пространство ввода-вывода и, иногда, непосредственно в адресное пространство памяти.

§ Использование того или иного адресного пространства определяется типом команды, выполняемой процессором, или типом ее операндов.

§ Физическим управлением устройством ввода-вывода, передачей информации через порт, и выставлением некоторых сигналов на магистрали занимается контроллер устройства.

Именно единообразие подключения внешних устройств к вычислительной системе является одной из составляющих идеологии, позволяющих добавлять новые устройства без перепроектирования всей системы.

Если поручить неподготовленному пользователю сконструировать систему ввода-вывода, способную работать со всем множеством внешних устройств, то, скорее всего, он окажется в ситуации, в которой находились биологи и зоологи до появления трудов Линнея. Все устройства разные, отличаются по выполняемым функциям и своим характеристикам, и кажется, что принципиально невозможно создать систему, которая без больших постоянных переделок позволяла бы охватывать все многообразие видов. Вот перечень лишь несколько направлений (далеко не полный), по которым различаются устройства:

§ Скорость обмена информацией может варьироваться в диапазоне от нескольких байт в секунду (клавиатура) до нескольких гигабайт в секунду (сетевые карты).

§ Некоторые устройства могут быть использованы параллельно несколькими процессами (являются разделяемыми), в то время как другие требуют монопольного захвата процессом.

§ Устройства могут запоминать выведенную информацию для ее последующего ввода или не обладать этой функцией. Устройства, запоминающие информацию, в свою очередь, могут дифференцироваться по формам доступа к сохраненной информации: обеспечивать к ней последовательный доступ в жестко заданном порядке или уметь находить и передавать только необходимую порцию данных.

§ Часть устройств умеет передавать данные только по одному байту последовательно (символьные устройства), а часть устройств умеет передавать блок байт как единое целое (блочные устройства).

§ Существуют устройства, предназначенные только для ввода информации, устройства, предназначенные только для вывода информации, и устройства, которые могут совершать и ввод, и вывод.

В даний час|нині| кожен комп'ютер має безліч вбудованих інтерфейсів для підключення периферійних пристроїв|устроїв|. У цьому списку можна відзначити послідовні і паралельний порти, роз'єми клавіатури і миші і ін.

У обчислювальній системі, що складається з безлічі підсистем, необхідний механізм для їх взаємодії. Ці підсистеми винні швидко і ефективно обмінюватися даними. Наприклад, процесор, з одного боку, повинен бути пов'язаний з пам'яттю, з іншого боку, необхідний зв'язок процесора з|із| пристроями|устроями| введення/виводу|висновку,виведення|. Одним з простих механізмів, що дозволяють організувати взаємодію різних підсистем, є|з'являється,являється| єдина центральна шина, до якої під'єднуються всі підсистеми. Доступ до такої шини розділяється між всіма підсистемами. Подібна організація має дві основні переваги: низька вартість і універсальність. Оскільки така шина є|з'являється,являється| єдиним місцем під'єднування для різних пристроїв|устроїв|, нові пристрої|устрої| можуть бути легко додані|добавляти|, і одні і ті ж периферійні пристрої|устрої| можна навіть застосовувати в різних обчислювальних системах, що використовують однотипну шину. Вартість такої організації виходить достатньо|досить| низькою, оскільки для реалізації безлічі шляхів|колій,доріг| передачі інформації використовується єдиний набір ліній шини, що розділяється безліччю пристроїв|устроїв|.

Головним недоліком|нестачею| організації з|із| єдиною шиною є|з'являється,являється| те, що шина створює вузьке горло, обмежуючи, можливо, максимальну пропускну спроможність введення/виводу|висновку,виведення|.

Традиційно шини діляться на шини, що забезпечують організацію зв'язку процесора з|із| пам'яттю, і шини введення/виводу|висновку,виведення|. Шини введення/виводу|висновку,виведення| можуть мати велику протяжність, підтримувати під'єднування багатьох типів пристроїв|устроїв|, і зазвичай|звично| слідують|прямують| одному з шинних стандартів. Шини процесор-пам'ять, з іншого боку, порівняно короткі, зазвичай|звично| високошвидкісні і відповідають організації системи пам'яті для забезпечення максимальної пропускної спроможності каналу пам'ять-процесор. На етапі розробки системи, для шини процесор-пам'ять заздалегідь|наперед| відомі всі типи і параметри пристроїв|устроїв|, які повинні з'єднуватися між собою, тоді як розробник шини введення/виводу|висновку,виведення| повинен мати справу|річ| з|із| пристроями|устроями|, що розрізняються по затримці і пропускній спроможності.

Як вже було відмічено, з метою зниження вартості деякі комп'ютери мають єдину шину для пам'яті і пристроїв|устроїв| введення/виводу|висновку,виведення|. Така шина часто називається системною. Персональні комп'ютери, як правило, будуються на основі однієї системної шини в стандартах ISA|, EISA| або MCA|. Необхідність збереження|зберігання| балансу продуктивності у міру зростання|зросту| швидкодії мікропроцесорів привела до дворівневої організації шин в персональних комп'ютерах на основі локальної шини. Локальною шиною називається шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора. Вона зазвичай|звично| об'єднує процесор, пам'ять, схеми буферизації для системної шини і її контролер, а також деякі допоміжні схеми. Типовими прикладами|зразками| локальних шин є|з'являються,являються| VL-Bus| і PCI|.

Розробка шини пов'язана з реалізацією ряду|лави,низки| додаткових можливостей|спроможностей| Вирішення про вибір тієї або іншої можливості|спроможності| залежить від цільових параметрів вартості і продуктивності. Перші три можливості|спроможності| є|з'являються,являються| очевидними: роздільні лінії адреси і даних, ширші (що мають велику розрядність) шини даних і режим групових пересилок (пересилки декількох слів) дають збільшення продуктивності за рахунок збільшення вартості.

Наступний|такий| термін - кількість головних пристроїв|устроїв| шини (bus| master|). Головний пристрій|устрій| шини - це пристрій|устрій|, який може ініціювати транзакції читання або запису. ЦП, наприклад, завжди є|з'являється,являється| головним пристроєм|устроєм| шини. Шина має декілька головних пристроїв|устрої|, якщо є|наявний| декілька ЦП або коли пристрої|устрої| введення/виводу|висновку,виведення| можуть ініціювати транзакції на шині. Якщо є|наявний| декілька таких пристроїв|устроїв|, то потрібна схема арбітражу, щоб|аби| вирішити|рішати,розв'язати|, хто|КТО| наступний|слідуючий| захопить шину. Арбітраж часто заснований або на схемі з|із| фіксованим пріоритетом, або на "справедливішій" схемі, яка випадковим чином вибирає, який головний пристрій|устрій| захопить шину.

В даний час|нині| використовуються два типи шин, комутації, що відрізняються способом: шини з|із| комутацією ланцюгів|цепів| (circuit-switched| bus|) і шини з|із| комутацією пакетів (packet-switched| bus|), що отримали|одержували| свої назви по аналогії із способами комутації в мережах|сітях| передачі даних. Шина з|із| комутацією пакетів за наявності декількох головних пристроїв|устроїв| шини забезпечує значно велику пропускну спроможність в порівнянні з шиною з|із| комутацією ланцюгів|цепів| за рахунок розділення|поділу| транзакції на дві логічні частини|частки|: запиту шини і відповіді. Така методика отримала|одержувала| назву "розщеплювання" транзакцій (split| transaction|). (У деяких системах така можливість|спроможність| називається шиною з'єднання|сполучення,сполуки|/роз'єднання (connect/disconnect) або конвеєрною шиною (pipelined| bus|). Транзакція читання розбивається на транзакцію запиту читання, яка містить|утримує| адресу, і транзакцію відповіді пам'яті, яка містить|утримує| дані. Кожна транзакція тепер повинна бути помічена|позначити| (тегирована|) відповідним чином, щоб|аби| ЦП і пам'ять могли повідомити що є що.

Шина з|із| комутацією ланцюгів|цепів| не робить|чинить| розщеплювання транзакцій, будь-яка транзакція на ній є неподільна|неділима| операція. Головний пристрій|устрій| запрошує шину, після|потім| арбітражу поміщає на неї адресу і блокує шину до закінчення обслуговування запиту. Велика частина|частка| цього часу обслуговування при цьому витрачається не на виконання операцій на шині (наприклад, на затримку вибірки з пам'яті). Таким чином, в шинах з|із| комутацією ланцюгів|цепів| це час просто втрачається|розгублює|. Розщеплені транзакції роблять|чинять| шину доступною для інших головних пристроїв|устроїв| поки пам'ять читає слово за запитаною|запросити| адресою. Це, правда, також означає, що ЦП повинен боротися за шину для посилки|посилання| даних, а пам'ять повинна боротися за шину, щоб|аби| повернути дані. Таким чином, шина з|із| розщеплюванням транзакцій має вищу пропускну спроможність, але|та| зазвичай|звично| вона має і велику затримку, чим шина, яка захоплюється на весь час виконання транзакції. Транзакція називається розщепленою, оскільки довільну кількість інших пакетів або транзакцій можуть використовувати шину між запитом і відповіддю.

Останнє питання пов'язане з вибором типу|типа| синхронізації і визначає чи є|з'являється,являється| шина синхронною|синхрон| або асинхронною. Якщо шина синхронна|синхрон|, то вона включає сигнали синхронізації, які передаються по лініях управління шини, і фіксований протокол, що визначає розташування сигналів адреси і даних щодо|відносно| сигналів синхронізації. Оскільки практично ніякої|жодної| додаткової логіки не потрібна для того, щоб вирішити|рішати,розв'язати|, що робити|чинити| в наступний|такий| момент часу, ці шини можуть бути і швидкими, і дешевими. Проте|однак| вони мають два головні недоліки|нестачі|. Все на шині повинно відбуватися|походити| з|із| однією і тією ж частотою синхронізації, тому із-за проблеми перекосу синхросигналов|, синхронні|синхрон| шини не можуть бути довгими. Зазвичай|звично| шини процесор-пам'ять синхронні|синхрон|.

Таблиця 1. Основні можливості|спроможності| шин

Можливість|спроможність|	Висока продуктивність	Низька вартість
Загальна|спільна| розрядність шини	Окремі лінії адреси і даних	Мультиплексування ліній адреси і даних
Ширина (разрядність|) даних	Чим ширше, тим швидше (наприклад, 32 битий)	Чим вже, тим дешевше (наприклад, 8 битий)
Розмір пересилки	Пересилка декількох слів має менші накладні витрати	Пересилка одного слова дешевша
Головні пристрої|устрої| шини	Декілька (потрібний арбітраж)	Одне (арбітраж не потрібний)
Розщеплені транзакції?	Так|та| - окремі пакети Запиту і Відповіді дають велику смугу пропускання (потрібно декілька головних пристроїв|устрої|)	Немає - з'єднання|сполучення,сполука|, що продовжується|триває|, дешевше і має меншу затримку
Тип синхронізації	Синхронні|синхрон|	Асинхронні

Асинхронна шина, з іншого боку, не тактується. Замість цього зазвичай|звично| використовується старт-стопний режим передачі і протокол "рукостискання" (handshaking|) між джерелом і приймачем даних на шині. Ця схема дозволяє набагато простіше пристосувати широку різноманітність пристроїв|устроїв| і подовжити шину без неспокою|занепокоєння| про перекіс сигналів синхронізації і про систему синхронізації. Якщо може використовуватися синхронна|синхрон| шина, то вона зазвичай|звично| швидше, ніж асинхронна, через відсутність накладних витрат на синхронізацію шини для кожної транзакції. Вибір типу|типа| шини (синхронною|синхрон| або асинхронною) визначає не тільки|не лише,не те що| пропускну спроможність, але також безпосередньо впливає на ємкість|місткість| системи введення/виводу|висновку,виведення| в термінах фізичної відстані і кількості пристроїв|устроїв|, які можуть бути приєднані до шини. Асинхронні шини у міру зміни технології краще масштабуються|масштабують|. Шини введення/виводу|висновку,виведення| зазвичай|звично| асинхронні.

Системну шину можна спрощено представити|уявляти| як сукупність сигнальних ліній, об'єднаних|з'єднаних| по їх призначенню (дані, адреси, управління), які також мають цілком|сповна| певні електричні характеристики і протоколи передачі інформації. Основним обов'язком системної шини є|з'являється,являється| передача інформації між процесором (або процесорами) і рештою електронних компонентів комп'ютера. По цій шині здійснюється не тільки|не лише| передача інформації, але і адресація пристроїв|устроїв|, а також відбувається|походить| обмін спеціальними службовими сигналами. Використовувані в даний час|нині| шини відрізняються по розрядності, способу передачі сигналу (послідовні або паралельні), пропускній спроможності, кількості і типу|типові| підтримуваних пристроїв|устроїв|, а також протоколу роботи. Як правило, шини ПК можна представити|уявляти| у вигляді якоїсь|деякої| ієрархічної структури - шинної архітектури. Особливістю сучасних ПК є|з'являється,являється| наявність шини ISA|, успадкованої від найперших моделей IBM| РС. Окрім|крім| неї, в ПК застосовуються шини EISA|, MCA|, VLB|, PCI|, AGP|.

Якщо обмін інформацією ведеться між периферійним пристроєм|устроєм| і контроллером, то лінія передачі даних, що сполучає|з'єднує| їх, називається інтерфейсом передачі даних, або просто інтерфейсом. Серед вживаних в сучасних і перспективних ПК інтерфейсів можна відзначити EIDE|, SCSI|, SSA| і Fibre| Channel|, USB|, FireWire| (IEEE| 1394) і DeviceBay|.

Серед інтерфейсів передачі даних осібно|окремо| коштують порти введення/виводу|висновку,виведення|, що використовуються для підключення низькошвидкісних периферійних пристроїв|устроїв|: послідовний порт (COM|), паралельний порт (LPT|), ігровий порт/MIDI порт і інфрачервоний порт (IRDA|).

Дата добавления: 2014-01-04