Физические принципы организации ввода-вывода

Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода. Содержание понятий «обработка информации» и «операции ввода-вывода» зависит от того, с какой точки зрения мы смотрим на них. С точки зрения программиста, под «обработкой информации» понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под «операциями ввода-вывода» программист понимает обмен данными между памятью и устройствами, внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура, таймер. С точки зрения операционной системы «обработкой информации» являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к «операциям ввода-вывода». Чтобы выполнять операции над данными, временно расположенными во вторичной памяти, операционная система, сначала производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем процессор совершает необходимые действия.

Данная лекция будет посвящена второму виду работы вычислительной системы – операциям ввода-вывода. Мы разберем, что происходит в компьютере при выполнении операций ввода-вывода, и как операционная система управляет их выполнением. При этом для простоты будем считать, что объем оперативной памяти в вычислительной системе достаточно большой, т. е. все процессы полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятие «операция ввода-вывода» с точки зрения операционной системы и с точки зрения пользователя означает одно и то же. Такое предположение не снижает общности нашего рассмотрения, так как подкачка информации из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому же принципу, что и все операции ввода-вывода.

Прежде чем говорить о работе операционной системы при осуществлении операций ввода-вывода, нам придется понять, как осуществляется передача информации между оперативной памятью и внешним устройством и почему для подключения к вычислительной системе новых устройств ее не требуется перепроектировать.

Необходимо понимать, что представляет собой компьютерная система в целом и как соединяются между собой ее компоненты. Вспомним, что типичный ПК состоит из материнской платы, на которой располагается микросхема процессора, микросхемы основной памяти, несколько интерфейсов ввода-вывода, а также несколько разъемов для подключения дополнительных интерфейсов.

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д., вплоть до устройств отображения и ввода информации в авиационно-космических тренажерах. 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.

Интерфейс - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

• пропускная способность – максимальная скорость передачи данных;
• полоса пропускания;
• максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;
• общее число проводов (линий) в интерфейсе;
• информационная ширина интерфейса - число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс.

Компьютер должен работать с наивысшей производительностью, для этого необходимо организовать пересылку данных таким образом, чтобы полное слово обрабатывалось за минимальное время. Когда слово данных пересылается между устройствами, параллельно перемещаются и все его биты. Каждый бит пересылается по своему проводу (линии). Группа линий, образующая соединение между несколькими устройствами называется шиной (bus). Процессор, основная память и устройства ввода-вывода могут соединяться между собой посредством общей шины. Набор правил, управляющих поведением соединенных с шиной устройств, а также последовательностью помещения данных на шину, выдачу управляющих сигналов и т.п. – называется шинный протокол. Шины и шинные протоколы являются составной частью интерфейсных схем. В любой операции пересылки данных по шине одно из устройств играет роль хозяина шины (bus master). Обычно хозяином шины является процессор, но эту роль могут выполнять и другие устройства.

Интерфейс устройства ввода-вывода представляет собой схему, соединяющую устройство с шиной компьютера. По одну сторону этой схемы действуют сигналы шины для адреса, данных и управляющие сигналы, по другую сторону, называемую портом, линии передачи данных и сигналов управления к устройству ввода-вывода. Порт может быть параллельным или последовательным.

Дата добавления: 2014-01-04