Роль управляющей ЭВМ в реализации функций управления ввода-вывода в высокопроизводительных системах обработки данных

Периферийные устройства ввода-вывода общего назначения (классификация).

Периферийные устройства ввода-вывода специальные (классификация).

Интерфейс, определение. Обобщенная структурная схема интерфейса.

Принципы организации интерфейса.

Основные принципы проектирования интерфейса.

Элементы ИФ связываются электронными цепями, которые называются линиями ИФ. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной. В настоящее время известно около двухсот интерфейсов. Сейчас многие из них «мертвые». Появление новых интерфейсов связано с:

- увеличением скорости вычислений;

- увеличением разрядности вычислений.

Каждый ИФ должен удовлетворять четырем основным принципам проектирования:

1) групповому:

2) агрегатирования;

3) унификации;

4) взаимозаменяемости.

Принципы группового проектирования заключаются в создании ряда (семейства) функционально и конструктивно подобных устройств определенного назначения, соответствующих разнообразным условиям их использования. Основная задача группового проектирования – это достижение максимальной универсальности и совместимости с ЭВМ и вычислительными комплексами внутри проектируемого ряда. Примером является ряд IBM PC.

Второй принцип проектирования – принцип агрегатирования (модульного построения). Он состоит в рациональном разделении системы (или устройства) на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (или модулей) с целью совершенствования их технических характеристик, а также обеспечения высокопроизводительных способов производства и обслуживания. Примером может являться МПК БИС.

Принцип унификации – заключается в минимизации номенклатуры основных узлов, блоков устройства, модулей, связей между ними при условии рациональной компоновки и эффективности функционирования устройства или системы.

Принцип взаимозаменяемости – основан на способности модуля выполнять в составе устройства ряд установленных функций без конструктивных добавлений. Например, универсальный интерфейс канала.

Соблюдение этих принципов позволяет:

- организовать серийное производство;

- повысить качество;

- сократить сроки изготовления;

- снизить стоимость производства и эксплуатации;

- удлинить сроки морального старения средств ВТ (вычислительной техники).

Интерфейс.

В узком смысле слова интерфейсом называются устройства сопряжения.

В широком смысле слова, согласно ГОСТ 15971 – 74, под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации.

Общая структурная схема интерфейса (ИФ).

Общая структурная схема ИФ представлена на рис. 1:

Рис. 1

На рисунке обозначены:

- ФБ – функциональный блок;

- ИБ – интерфейсный блок;

- К – контроллер;

- УБ – управляющий блок.

Классификация периферийных устройств.

В настоящее время ПУ характеризуются большим разнообразием. Номенклатура ПУ более разнообразна, чем узлов ЭВМ. Их можно подразделить на ряд групп, например, как показано на рисунке:

Рисунок

Условно их можно разделить на устройства ввода – вывода общего назначения и специализированные устройства ввода – вывода. На рисунке они показаны по следующему принципу: слева - устройства ввода, справа – устройства вывода (для каждой большой группы). На рисунке обозначены:

- АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

- ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

20. Какие задачи ввода-вывода возлагаются на «системный контроллер» в высокопроизводительных системах обработки данных.

Проблема ввода – вывода существенно усложняется, если высокопроизводительная СОД не имеет общей ОП для многопроцессорных элементов. Для таких СОД может быть применена схема ввода – вывода с использованием коммутатора (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Коммутатор для организации ввода – вывода в системах без общей ОП.

На рисунке функции коммутатора выполняет системный контроллер – специально выделенное устройство, которое осуществляет функции диспетчеризации, управления обменом между отдельными ПЭ и между локальными ОП, а также отдельными ПЭ и СВВ. Таким образом, системный контроллер управляет доступом к основной распределенной памяти как для ПЭ, так и для каналов ввода – вывода.

Значительно сложнее представлен ввод – вывод в высокопроизводительных СОД, работающих в РМВ (реальном масштабе времени). Если такая СОД работает в многозадачном режиме, то возникает необходимость планирования задач. Для этого применяются специальные алгоритмы. Наиболее распространенными являются алгоритмы планирования по убыванию частот и по ближайшим срокам завершения задач. Каждая задача, стоящая в очереди на выполнение, получает статически или динамически назначенный приоритет, который тем выше, чем выше частота инициирования задачи (при планировании по убыванию частот) или чем ближе назначенный срок ее выполнения (при втором алгоритме). Однако ввод – вывод в режиме ПДП, какие бы структурные методы ни предпринимались, оказывает косвенное влияние на длительность решения задачи из-за одновременного обращения к ОП.

Эта проблема типична для СОД РМВ, в которых запас вычислительной мощности практически отсутствует. Проблема решается путем интеллектуализации процесса ввода – вывода, который необходимо планировать совместно с планированием задач обработки. Для этого блоки сопряжения должны выполняться в виде достаточно сложных ПВВ, обладающих значительными объемами буферной памяти, которые позволяют разделить временные моменты получения информации от источника во внешнем мире и непосредственно передачи ее в ОП системы. Тем самым появляется возможность обслуживания «нетерпеливых» источников информации не в режиме наивысшего приоритета.

Кроме этого система подключения ПВВ должна допускать изменение приоритетов на этапе планирования задач, т.е. динамические при работе СОД. Если пропускная способность СВВ превышает значение, соответствующее условию сбалансированности СОД для данного класса задач, то эффективность производительности СОД ограничится возможностями средств обработки. Такое положение характерно при выполнении сложных научно-технических расчетов, например, с большим количеством матричных вычислений, матричных операций с помощью ЭВМ общего назначения. Задачи данного класса характеризуются высокой интенсивностью обработки, т.е. большим числом операций над одним элементом данных. Повышение эффективности быстродействия вычислительной системы на этом классе задач может получиться за счет включения в систему спецпроцессора, реализующего часто встречающиеся и требующие значительных затрат времени операции. Однако подключение спецпроцессора к существующей СОД, если априорно это подключение не предусматривалось, может представлять весьма сложную техническую задачу. Один из возможных путей ее решения заключается в подключении спецпроцессора к СОД посредством СВВ (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Подключение спецпроцессора с помощью СВВ.

Такой спецпроцессор называется периферийным (ПП). Он подключается к ОП или к системному контроллеру через канал ввода – вывода аналогично периферийному устройству.

Задача СВВ в этом случае состоит в том, чтобы загрузить локальную память ПП исходными данными перед началом операции в данном ПП, затем инициировать операцию и результаты обработки вернуть в основную память СОД.

Помимо матричных по такой схеме могут включаться и другие спецпроцессоры, в частности, фильтр - процессоры при обработке баз данных.

19. Какие задачи ввода-вывода возлагаются на «интерфейсную» ЭВМ в высокопроизводительных системах обработки данных.

Большие возможности появляются в системе с введением в ее состав специальной «интерфейсной» ЭВМ, предназначенной для организации связи высокопроизводительной СОД с внешним миром. Такая «интерфейсная» ЭВМ, помимо перечисленных функций, берет на себя функции преобразования способов представления информации с тем, чтобы человек или другие объекты получали ее в наиболее удобном виде, например, графике или речи.

Проблема ввода – вывода существенно усложняется, если высокопроизводительная СОД не имеет общей ОП для многопроцессорных элементов. Для таких СОД может быть применена схема ввода – вывода с использованием коммутатора (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Коммутатор для организации ввода – вывода в системах без общей ОП.

Управляющая ЭВМ является как бы интеллектуальным мультиплексором, выполняющим как функции коммутации данных, так и их буферизации, компоновки, преобразования форматов и предварительной обработки.

При всех достоинствах такой системы организации ввода – вывода она не обеспечивает поддержку быстрых накопителей на дисках из-за ограниченной пропускной способности интерфейса ввода – вывода управляющей ЭВМ. Поэтому в высокопроизводительной системе к схеме рис. 3.2 добавляется связь через ВЗУ, т.е. в высокопроизводительную систему обработки через файловую систему через адаптер поступают только те файлы и задания, которые требуют обработки с высокой скоростью. Результаты обработки передаются во внешний мир через файловую систему, т.е. вначале поступают в управляющую ЭВМ, а из нее в ПУ.

Дата добавления: 2014-01-20