- •1.1. Эволюция принципов обмена информацией в эвм
- •1.2. Разновидности периферийных устройств
- •2.1. Основные этапы развития эвм
- •2.2. Роль системы ввода-вывода в эвм
- •2.3. Организация передачи информации в вычислительной системе
- •2.4. Функционирование системы ввода-вывода при обмене данными
- •2.5. Режимы обмена информацией в свв
- •2.6. Базовые структуры систем ввода-вывода
- •2.7. Эволюция системы ввода в iвм - совместимых компьютерах
- •2.7. Архитектура современной системы ввода-вывода
ВВЕДЕНИЕ
Данный курс лекций посвящен периферийным устройствам ЭВМ.
Периферийные устройства - наиболее динамично развивающаяся область информационных технологий. Постоянно появляются принципиально новые устройства, как с точки зрения функций ими выполняемых, так и с точки зрения технологий их изготовления и работы. На смену магнитным дискам пришли оптические устройства, механические запоминающие устройства вытесняются более надежными, компактными и бесшумными устройствами на основе флэш – памяти. Практически любое устройство, имеющее разъем USB может рассматриваться, как периферийное. Это может быть видеокамера, ауди плеер, сотовый телефон, игровая приставка, тренажер, мультимедиа проектор, интерактивная доска и т.д. На смену игольчатым принтерам пришли струйные и лазерные, причем ежегодно происходит смена моделей ведущих фирм производителей. Отдельно отметим такие перспективные направления, как 3D принтеры и гибкие дисплеи.
В нашем курсе лекций мы подробно рассмотрим все аспекты области периферийных устройств, тенденции развития, новейшие разработки. Однако начнем с истории развития, без знания которой нельзя понять и оценить тенденции развития. Кроме того основные принципы и методы построения систем открытые в то время используются до сих пор, естественно с учетом современных реалий.
ЛЕКЦИЯ 1 РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ И РАЗНОВИДНОСТИ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ
1.1. Эволюция принципов обмена информацией в эвм
ЭВМ первого поколения работали с устройствами ввода-вывода (УВВ), имевшими невысокие скоростные характеристики и использовавшими бумажные носители информации (перфокарты и перфоленты). Вывод данных осуществлялся, в основном, с помощью медленных АЦПУ (алфавитно-цифровых печатающих устройств).
При вводе-выводе центральное устройство ЭВМ (процессор) брал на себя все функции по управлению обменом и не мог использоваться для решения задач. В ЭВМ 1-го поколения использовался центрально-синхронный принцип управления вводом-выводом.
Длительность решения любой задачи в таких ЭВМ может быть оценена выражением:
Тр = (аоТо + аввТвв)n,
где: ао — относительная доля арифметико-логических операций в программе; То — среднее время операций обработки данных; авв — доля операций ввода-вывода в реализуемой программе; Твв — среднее время выполнения операций ввода-вывода; n — общее количество выполняемых команд программы.
В ЭВМ 2-го поколения появились новые идеи организации процесса вычисления и последовавшие за этим новые технические решения, это:
а) прерывание вычислительного процесса; б) мультипрограммный способ работы ЭВМ; в) элементы операционных систем; г) алгоритмические языки высокого уровня.
Это потребовало увеличения производительности ядра ЭВМ (процессора и памяти) и существенного роста скоростных характеристик УВВ.
На повестку дня встали вопросы, связанные с коренным пересмотром принципов организации ввода - вывода (обмена данными). Тем более что в это время значительно увеличились скоростные характеристики ряда периферийных устройств (ПУ) и появились новые ПУ (графопостроители, НМЛ, быстрые принтеры).
В ЭВМ 3-го поколения была сделана удачная попытка увеличить общую производительность ЭВМ за счет двух основных факторов, это:
а).Совмещение во времени операций ввода-вывода с операциями обработки данных процессором. б).Обеспечение одновременного ввода-вывода с нескольких ПУ.
Эта задача была решена путем построения ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода (СВВ). Структура такой ЭВМ приведена на Рис. 1.
Рис. 1. Структура ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода.
Использовались следующие обозначения:
Ядро ЭВМ, куда входят: ПР — процессор, ОП — оперативная память, УУ — устройство управления.
МК — мультиплексный канал.
СК — селекторный канал.
ПУ — периферийные устройства: МП — «медленная» периферия, БП — «быстрая» периферия.
В приведенной на Рис. 1 структуре были реализованы два основных режима:
а) мультиплексный режим — обслуживание «одновременно» нескольких ПУ с помощью МК (МК в системе не более одного); б) монопольный режим — обслуживание одним СК только одного ПУ, подключенного к нему (количество СК до 8).
Наряду с ЭВМ с канальной структурой системы ввода-вывода, получили развитие ЭВМ, использующие шинную структуру системы обмена данными между компонентами ЭВМ (ПР, ОП, ПУ). Такие ЭВМ получили название мини или микро ЭВМ. Их появление не в последнюю очередь диктовалось требованиями использовать ЭВМ в управлении производственными и технологическими процессами.
Они строились по модульному принципу — каждое устройство представляло собой отдельный, конструктивно законченный модуль. Структура такой системы приведена на Рис. 2.
Рис. 2. Структура модульной системы.
Использовались следующие обозначения (они используются и в настоящее время):
- П — процессор (микропроцессор — МП). - ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. - ПЗУ — постоянное запоминающее устройство. - ОШ — общая шина (системная магистраль). - ИМ — интерфейсный модуль (контроллер). - ПУ — периферийное устройство.
Основные принципы обмена информацией в ЭВМ такого типа:
Только два устройства в каждый фиксированный момент времени могут обмениваться информацией (МП — ОП или МП — ПУ или ПУ-ОП).
Управление обменом (управление Общей Шиной) берет на себя активное устройство или задатчик. Задатчиком может быть МП или ПУ.
Обмен осуществляется с использованием асинхронного принципа (запрос — ответ).
Осуществляется механизм арбитража между устройствами.
Реализуются три способа обмена данными через интерфейс ОШ, а именно: — простой программно-управляемый обмен; — программно-управляемый обмен с использованием прерываний; — обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП).
В настоящее время процесс развития и совершенствования принципов обмена информацией идет по многим направлениям, основные из которых можно сформулировать следующим образом:
Построение многошинных структур организации ЭВМ и СВВ.
Повышение скорости обмена на основе построения т.н. «быстрых» интерфейсов.
Применение МП, БИС и СБИС в компонентах СВВ, позволяющее повысить «интеллектуальность» ПУ.
Переход от индивидуальных ПУ к коллективным.
Переход от централизованной обработки данных к децентрализованной (сети ЭВМ).
Использование новых физических принципов в построении ПУ (лазерный, струйный, термический процессы, квантово механические эффекты, нанотехнологии и др.).
Создание мультимедиа систем — комплекса аудиовизуальных средств обмена информацией.