Вычислительная машина с тремя видами шин

Для подключения быстродействующих периферийных устройств в систему шин может быть добавлена высокоскоростная шина расширения.

Шины ввода/вывода подключаются к шине расширения, а уже с нее через адаптер к шине «процессор-память». Схема еще более снижает нагрузку на шину «процессор-память». Такую организацию шин называют архитектурой с «пристройкой» (mezzanine architecture).

Системы ввода/вывода

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.

В процессе эволюции вычислительных машин системам ввода/вывода по сравнению с прочими элементами архитектуры уделялось несколько меньшее внимание. Косвенным подтверждением этого можно считать, например, то, что многие программы контроля производительности (бенчмарки) вообще не учитывают влияние операций ввода/вывода (В/ВЫВ) на эффективность ВМ. Следствием подобного отношения стал существенный разрыв в производительности процессора и памяти, с одной стороны, и скоростью ввода/вывода — с другой.

Технически система ввода/вывода в рамках ВМ реализуется комплексом модулей ввода/вывода (МВБ). 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. Место системы ввода/вывода в архитектуре ВМ (а – с раздельными шинами памяти и ввода/вывода, б – с совместно используемыми линиями данных и адреса, в – подключение на общих правах с процессором и памятью)

В варианте с раздельными шинами памяти и ввода/вывода (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 ВУ, может иметь меньшую пропускную способность, что позволяет снизить затраты на ее реализацию. Недостатком решения можно считать большое количество точек подключения к ЦП.

Второй вариант — с совместно используемыми линиями данных и адреса (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 (в). Потенциально возможен также вариант подключения внешних устройств к системной шине напрямую, без использования МВБ, но против него можно выдвинуть сразу несколько аргументов. Во-первых, в этом случае ЦП пришлось бы оснащать универсальными схемами для управления любым ВУ. При большом разнообразии внешних устройств, имеющих к тому же различные принципы действия, такие схемы оказываются чересчур сложными и избыточными. Во-вторых, пересылка данных при вводе и выводе происходит значительно медленнее, чем при обмене между ЦП и памятью, и было бы невыгодно задействовать для обмена информацией с ВУ высокоскоростную системную шину. И, наконец, в ВУ часто используются иные форматы данных и длина слова, чем в ВМ, к которым они подключены.

Адресное пространство системы ввода/вывода

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. Распределение совмещенного адресного пространства

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.

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.

Реализация концепции совмещенного адресного пространства в ВМ с кэш-памятью и виртуальной адресацией сопряжена с определенными проблемами. В частности, усложняется отображение виртуального адреса устройства ввода/вывода на физическое ВУ. Сложности также возникают и с кэшированием регистров МВВ. 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;

- возможность обмена информацией не только с аккумулятором, но и с любым регистром центрального процессора.

Недостатки совмещенного адресного пространства:

- сокращение области адресного пространства памяти;

- усложнение декодирующих схем адресов в СВВ;

- трудности распознавания операций передачи информации при вводе/выводе среди других операций. Сложности в чтении и отладке программы, в которой простые команды вызывают выполнение сложных операций ввода/вывода;

- трудности при построении СВВ на простых модулях ввода/вывода: сигналы управления не смогут координировать сложную процедуру ввода/вывода. Поэтому МВВ часто должны генерировать дополнительные сигналы под управлением программы.

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 микро-ЭВМ 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.

Дата добавления: 2014-01-06