Структура модуля

Обнаружение ошибок

Еще одной из важнейших функций МВВ является обнаружение ошибок, возникающих в процессе ввода/вывода. Центральный процессор следует оповещать о каждом случае обнаружения ошибки. Причинами возникновения последних бывают самые разнообразные факторы, которые в первом приближении можно свести к следующим группам:

- воздействие внешней среды;

- старение элементной базы;

- системное программное обеспечение;

- пользовательское программное обеспечение.

Из наиболее «активных» факторов окружения ВМ следует выделить:

- загрязнение и влагу;

- повышенную или пониженную температуру окружающей среды;

- электромагнитное облучение;

- скачки напряжения питания.

Степень влияния каждого из этих факторов зависит от типа и конструкции МВВ и ВУ. Так, к загрязнению наиболее чувствительны оптические и механические элементы ВУ, в то время как работа электронных компонентов СВВ в большей степени зависит от температуры внешней среды, электромагнитного воздействия и стабильности питающего напряжения.

Фактор старения характерен как для механических, так и для электронных элементов СВВ. В механических элементах он выражается в виде износа, следствием чего может быть неточное позиционирование головок считывания/записи на внешних запоминающих устройствах или неправильная подача бумаги в принтерах. Старение электронных элементов обычно выражается в изменении электрических параметров схем, приводящем к нарушению управления и синхронизации. Так, отклонения в параметрах электронных компонентов в состоянии вызвать недопустимый «перекос» сигналов, передаваемых между ЦП и МВБ или внутри МВБ.

Источником ошибок может стать и несовершенство системного программного обеспечения (ПО):

- непредвиденные последовательности команд или кодовые комбинации;

- некорректное распределение памяти;

- недостаточный размер буфера ввода/вывода;

- недостаточно продуманные и оттестированные комбинации системных модулей.

Среди ошибок, порождаемых пользовательским ПО, наиболее частыми являются: нарушение последовательности выполнения программы и некорректные процедуры.

Вероятность возникновения ошибки внутри процессора для современных ЦП оценивается величиной порядка 10 ¹⁸, в то время как для остальных составляющих ВМ она лежит в диапазоне 10 ⁸—10^-12.

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 рисунке.

Рис. Структура модуля ввода/вывода

Связь модуля ввода/вывода с ядром ВМ осуществляется посредством системной или специализированной шины. С этой стороны в МВБ реализуется так называемый «большой» интерфейс. 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 МВБ, 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). 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 МВБ, 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 МВБ 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 МВБ 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). В МВВ не исключается наличие и более одного регистра состояния.

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 дешифратор DC выполняет раскодирование адреса, разрешая работу с соответствующим регистром модуля или ВУ.

Узел управления вводом/выводом по сути играет роль местного устройства управления МВВ. 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. Эта часть МВВ более унифицирована, поскольку внешние устройства всегда подгоняются под один из стандартных протоколов. 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 микро-ЭВМ, а каналы ввода/вывода — для универсальных ВМ.

Методы управления вводом/выводом

В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода (В/ВЫВ):

- программно управляемый ввод/вывод;

- ввод/вывод по прерываниям;

- прямой доступ к памяти.

При программно управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия происходят по инициативе центрального процессора и под его полным контролем. ЦП выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода/вывода, включая проверку состояния устройства, выдачу команд ввода или вывода. Выдав в МВВ команду, центральный процессор должен ожидать завершения ее выполнения, и, поскольку ЦП работает быстрее, чем МВВ, это приводит к потере времени.

Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды В/ВЫВ. Как и при программно управляемом В/ВЫВ, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в па­мять (при вводе).

Повышение как скорости В/ВЫВ, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий способ В/ВЫВ — прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией напрямую, минуя процессор.

Программно управляемый ввод/вывод

Наиболее простым методом управления вводом/выводом является программно управляемый ввод/вывод, часто называемый также вводом/выводом с опросом. Здесь ввод/вывод происходит под полным контролем центрального процессора и реализуется специальной процедурой ввода/вывода. В этой процедуре ЦП с помощью команды ввода/вывода сообщает модулю ввода/вывода, а через него и внешнему устройству о предстоящей операции. Адрес модуля и ВУ, к которому производится обращение, указывается в адресной части команды ввода или вывода. Модуль исполняет затребованное действие, после чего устанавливает в единицу соответствующий бит в своем регистре состояния. Ничего другого, чтобы уведомить ЦП, модуль не предпринимает. Следовательно, для определения момента завершения операции или пересылки очередного элемента блока данных процессор должен периодически опрашивать и анализировать содержимое регистра состояния МВБ.

Иллюстрация процедуры программно управляемого ввода блока данных с устройства ввода приведена на рисунке. Данные читаются пословно. Для каждого читаемого слова ЦП должен оставаться в цикле проверки, пока не определит, что слово находится в регистре данных МВБ, то есть доступно для считывания.

Рис. Программно управляемый ввод данных

Процедура начинается с выдачи процессором команды ввода, в которой указан адрес конкретного МВБ и конкретного ВУ. Существуют четыре типа команд В/ВЫВ, которые может получить МВБ: управление, проверка, чтение и запись.

Команды управления используются для активизации ВУ и указания требуемой операции. Например, в устройство памяти на магнитной ленте может быть выдана команда перемотки или продвижения на одну запись. Для каждого типа ВУ характерны специфичные для него команды управления.

Команда проверки применяется для проверки различных ситуаций, возникающих в МВБ и ВУ в процессе ввода/вывода. С помощью таких команд ЦП способен выяснить, включено ли ВУ, готово ли оно к работе, завершена ли последняя операция ввода/вывода и не возникли ли в ходе ее выполнения какие-либо ошибки. Действие команды сводится к установке или сбросу соответствующих разрядов регистра состояния МВВ.

Команда чтения побуждает модуль получить элемент данных из ВУ и занести его в регистр данных (РД). ЦП может получить этот элемент данных, запросив МВВ поместить его на шину данных.

Команда записи заставляет модуль принять элемент данных (байт или слово) с шины данных и переслать его в РД с последующей передачей в ВУ.

Если к МВВ подключено несколько ВУ, то в процедуре ввода/вывода нужно производить циклический опрос всех устройств, с которыми в данный момент производятся операции В/ВЫВ. Из блок-схемы явно виден основной недостаток программно управляемого В/ВЫВ — неэффективное использование процессора из-за ожидания готовности очередной порции информации, в течение которого никаких иных полезных действий ЦП не выполняет. Кроме того, пересылка даже одного слова требует выполнения нескольких команд. ЦП должен тратить время на анализ битов состояния МВВ, запись в МВВ битов управления, чтение или запись данных со скоростью, определяемой внешним устройством. Все это также отрицательно сказывается на эффективности ввода/вывода.

Главным аргументом в пользу программно управляемого ввода/вывода является простота МВВ, поскольку основные функции по управлению В/ВЫВ берет на себя процессор. При одновременной работе с несколькими ВУ приоритет устройств легко изменить программными средствами (последовательностью опроса). Наконец, подключение к СВВ новых внешних устройств или отключение ранее подключенных также реализуется без особых сложностей.

Ввод/вывод по прерываниям

Как уже отмечалось, основным недостатком программно управляемого В/ВЫВ являются простои процессора в ожидании, пока модуль ввода/вывода выполнит очередную операцию альтернативой может быть вариант, когда ЦП выдает команду В/ВЫВ, а затем продолжает делать другую полезную работу. Когда ВУ готово к обмену данными, оно через МВВ извещает об этом процессор с помощью запроса на прерывание. ЦП осуществляет передачу очередного элемента данных, после чего возобновляет выполнение прерванной программы.

Обсудим процесс ввода блока данных с использованием В/ВЫВ по прерываниям. Оставим без внимания такие подробности, как сохранение и восстановления контекста, действия, выполняемые при завершении пересылки блока данных, а также в случае возникновения ошибок.

Процедура ввода блока данных по прерываниям реализуется следующим образом. ЦП выдает команду чтения, а затем продолжает выполнение других заданий, например другой программы. Получив команду, МВВ приступает к вводу элемента данных с ВУ. Когда считанное слово оказывается в регистре данных модуля, МВВ формирует на управляющей линии сигнал прерывания ЦП. Выставив запрос, МВВ помещает введенную информацию на шину данных, после чего он готов к следующей операции В/ВЫВ. ЦП в конце каждого цикла команды проверяет наличие запросов прерывания. Когда от МВВ приходит такой сигнал, ЦП сохраняет контекст текущей программы и обрабатывает прерывание. В рассматриваемом случае ЦП читает слово из модуля, записывает его в память и выдает модулю команду на считывание очередного слова. Далее ЦП восстанавливает контекст прерванной программы и возобновляет ее выполнение.

Рис. Ввод данных по прерыванию

Этот метод эффективнее программно управляемого В/ВЫВ, поскольку устраняет ненужные ожидания, однако обработка прерывания занимает достаточно много времени ЦП. Кроме того, каждое слово, пересылаемое из памяти в модуль В/ВЫВ или в противоположном направлении, как и при программно управляемом В/ВЫВ, проходит через ЦП.

Реализация ввода/вывода по прерываниям

При реализации ввода/вывода по прерываниям необходимо дать ответы на два вопроса. Во-первых, определить, каким образом ЦП может выяснить, какой из МВБ и какое из подключенных к этому модулю внешних устройств выставили запрос. Во-вторых, при множественных прерываниях требуется решить, какое из них должно быть обслужено в первую очередь.

Сначала рассмотрим вопрос идентификации устройства. Здесь возможны три основных метода:

- множественные линии прерывания;

- программная идентификация;

- векторное прерывание.

Наиболее простой подход к решению проблемы определения источника запроса — применение множественных линий прерывания между ЦП и модулями ввода/вывода, хотя выделение слишком большого количества управляющих линий для этих целей нерационально. Более того, даже если присутствует несколько линий прерывания, желательно, чтобы каждая линия использовалась всеми МВБ, при этом для каждой линии действует один из двух остальных методов идентификации устройства.

При программной идентификации, обнаружив запрос прерывания, ЦП переходит к общей программе обработки прерывания, задачей которой является опрос всех МВБ с целью определения источника запроса. Для этого может быть выделена специальная командная линия опроса. ЦП помещает на адресную шину адрес опрашиваемого МВВ и формирует на этой линии сигнал опроса. Реакция модуля зависит от того, выставлял он запрос или нет. Возможен и иной вариант, когда каждый МВВ включает в себя адресуемый регистр состояния. Тогда ЦП считывает содержимое PC каждого модуля, после чего выясняет источник прерывания. Когда источник прерывания установлен, ЦП переходит к программе обработки прерывания, соответствующей этому источнику. Недостаток метода программной идентификации заключается в больших временных потерях.

Наиболее эффективную процедуру идентификации источника прерывания обеспечивают аппаратурные методы, в основе которых лежит идея векторного прерывания. В этом случае, получив подтверждение прерывания от процессора, выставившее запрос устройство выдает на шину данных специальное слово, называемое вектором прерывания. Слово содержит либо адрес МВВ, либо какой-нибудь другой уникальный идентификатор, который ЦП интерпретирует как указатель на соответствующую программу обработки прерывания. Такой подход устраняет необходимость в предварительных действиях с целью определения источника запроса прерывания. Реализуется он с помощью хранящейся в ОП таблицы векторов прерывания (см. рис.), где содержатся адреса программ обработки прерываний. Входом в таблицу служит вектор прерывания. Начальный адрес таблицы (база) обычно задается неявно, то есть под таблицу отводится вполне определенная область памяти.

Наиболее распространены два варианта векторной идентификации источника запроса прерывания: цепочечный опрос и арбитраж шины.

Рис. Идентификация запроса с помощью вектора прерывания

При цепочечном методе для передачи запроса прерывания модули ввода/вывода совместно используют одну общую линию. Линия подтверждения прерывания последовательно проходит через все МВВ. Когда ЦП обнаруживает запрос прерывания, он посылает сигнал по линии подтверждения прерывания. Этот сигнал движется через цепочку модулей, пока не достигнет того, который выставил запрос. Запросивший модуль реагирует путем выдачи на шину данных своего вектора прерывания.

В варианте арбитража шины МВБ, прежде чем выставить запрос на линии запроса прерывания, должен получить право на управление шиной. Таким образом, в каждый момент времени активизировать линию запроса прерывания может только один из модулей. Когда ЦП обнаруживает прерывание, он отвечает по линии подтверждения. После этого запросивший модуль помещает на шину данных свой вектор прерывания.

Перечисленные методы служат не только для идентификации запросившего MBB, но и для назначения приоритетов, когда прерывание запрашивают несколько устройств. При множественных линиях запроса ЦП начинает с линии, имеющей наивысший приоритет. В варианте программной идентификации приоритет модулей определяется очередностью их проверки. Для цепочечного метода приоритет модулей определяется порядком их следования в цепочке.

Дата добавления: 2014-01-06