57

Состав, структура

и организация

системы ввода-вывода

Состав и структура системы ввода-вывода

Набор функций системы ввода-вывода (СВВ) ВС практически не зависит от типа ЭВМ, однако их конкретное распределение между различными аппаратными и программн­ыми компонентами СВВ ВС в значительной мере определяется решаемыми ВС клас­сами задач, назначением ЭВМ, условиями и режимами использования, ее архитекту­рой, характеристиками производительности, набором периферийных устройств и т.д. Распределение функций, при выполнении операций ввода-вывода, называется структурной организацией СВВ ВС.

1.1. Решаемые классы задач и их требования к сред­ствам СВВ

Все многообразие задач, решаемых ВС, принято делить на три класса: научно-техни­ческие (расчетного характера); информационно-справочного, логического и статисти­ческого характера; управления объектами и процессами. Они различаются характе­ристиками алгоритмов, требуемой точностью расчетов, допустимыми интервалами времени на получение результата, мощностью алфавитов и потребностями ввода-вывода.

Класс научно-технических задач характеризуется весьма сложными алгоритмами, тре­бующими большого количества вычислений и высокой точности. При этом объемы входной (исходные данные и тексты программ) и выходной (результаты расчетов) ин­формации сравнительно невелики - на каждое вводимое в ЭВМ исходное значение приходится десятки и сотни операций обработки. Основными способами представле­ния результатов для этих задач являются текстовый и графический; алфавит входных и выходных сообщений ограничен.

Класс задач информационно-справочного, логического и статистического характера иногда называют задачами обработки данных. Для задач этого класса характерны срав­нительно короткие алгоритмы обработки и значительные объемы входных и выходных сообщений - на каждое вводимое значение приходится обычно не свыше десятка опе­раций обработки. Кванты информации обычно имеют переменную длину, а алфавит входных и выходных сообщений содержит большое число символов. Задачи обработки данных требуют разнообразных ПУ для ввода-вывода информации в виде текста, гра­фиков и речи, внешней памяти для хранения больших объемов справочной информа­ции, а также средств подключения к вычислительным сетям и телекоммуникационным системам.

Класс задач управления объектами и процессами, решается в режиме реального времени, т.е. за предопределенный интервал времени или к заданному сроку, опреде­ляемому характером процесса управления; они требуют быстрой реакции на изменение его параметров. Задачи этого класса обычно характеризуются сравнительно простыми алгоритмами и низкой точностью вычислений, информация во внешнем мире для них наиболее часто представляется в виде аналоговых сигналов, ввод и вывод которых осуществляются устройствами сопряжения с объектом (УСО).

1.2. Переменный состав оборудования и классы эвм

Современные ЭВМ строятся как системы с переменным составом оборудования, что позволяет на одной и той же машине решать, хотя и с разной степенью эффективности, задачи различных классов. Система с переменным составом оборудования строится из некоторого набора устройств-модулей, включающего ЦП, модули ОЗУ; различные компоненты-модули СВВ. Изменение конфигурации ЭВМ обеспечивается за счет ка­бельных соединений и модификации программ управления аппаратными модулями. Концепция переменного состава оборудования требует стандартизации аппаратных модулей, форматов сообщений, алгоритмов управления обменом между аппаратными модулями, способов добавления новых программных модулей. Такая стандартизация определяет архитектуру системы (семейства или ряда) ЭВМ, которая допускает в определенных пределах изменение количества и состава аппаратно-совместимых модулей и обеспечивает при этом информационную и программную совместимость. Информационная совместимость всех ЭВМ одной системы достигается едиными способами кодирования информации и единым форматом данных. Программная совместимость означает возможность выполнения программ (без каких-либо изменений) в различных конфигурациях ЭВМ, что достигается единой системой команд и одинаковой организацией операционных систем. Аппаратная совместимость модулей обеспечивается унифицированной системой сопряжения (интерфейсами различных уровней) и едиными способами управления.

Реализация ЭВМ в виде системы с переменным составом оборудования позволяет рас­ширить номенклатуру ПУ и упростить общение пользователя с машиной, дать возмож­ность отображать и документировать ход процесса управления и т.д.

Система ЭВМ объединяет различные модели, ориентированные на решение преиму­щественно одного класса задач, хотя эти модели и различаются по производительнос­ти. В моделях ЭВМ различных систем могут использоваться ПУ одного функциональ­ного назначения, но существенно отличающиеся по своим характеристикам. С точки зрения ориентации машин на тот или иной класс задач, организации СВВ, состава и характеристик основных ПУ можно выделить следующие классы ЭВМ.

Персональные ЭВМ (ПЭВМ, ПК) предназначены для работы с одним пользователем в режиме индивидуального доступа. Этот класс охватывает широкий круг ПК, от стацио­нарных (настольных) и до карманных ПК. СВВ персональных ЭВМ отличаются срав­нительной простотой организации, наличием широкого спектра дешевых ПУ, среди которых наиболее распространены клавиатуры и манипуляторы для ввода информа­ции, устройства отображения для вывода, устройства внешней памяти на магнитных и оптических дисках, устройства печати (матричные, струйные, лазерные и т.д.). ПК обо­рудуются средствами подключения к глобальным, локальным и домашним сетям, под­держивают интерфейсы ввода-вывода USB, SCSI и т.д. Они ориентированы на непро­фессионального пользователя, поэтому одно из основных требований к их СВВ заклю­чается в организации наиболее естественного общения - в форме диалога, посредством текстовых сообщений, графики, а в будущем - посредством и речи.

Управляющие микро-ЭВМ ориентированы на работу в реальном масштабе времени по управлению объектами и технологическими процессами. СВВ управляющих микро-ЭВМ должна обеспечивать быструю реакцию на изменения в состоянии управляемых объектов. Характерными ПУ для ЭВМ этого класса являются цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи и УВВ дискретных сигналов, входящие в состав устройств связи с объектом (УСО). Кроме того, управляющие микро-ЭВМ часто объединяют с другими ЭВМ в многомашинные вычислительные комплексы (ВК) и си­стемы (ВС) посредством различных устройств сопряжения, включая локальные сети. Конструктивно микро-ЭВМ часто выполняют в виде модулей, встраиваемых в системы управления. Управляющие микро-ЭВМ часто называют промышленными микро-ЭВМ (микрокомпьютерами).

Мини-ЭВМ вначале предназначались для управления сложными объектами и техноло­гическими процессами, однако, с ростом вычислительных возможностей основными областями использования мини-ЭВМ стали многопользовательские системы для авто­матизации проектно-конструкторских работ, разработки программного обеспечения микропроцессорных (МП) систем и т.п. СВВ мини-ЭВМ сохранили черты управляю­щих машин, однако состав ПУ значительно расширился. Мини-ЭВМ могли работать как в режиме реального времени, при этом в качестве основных ПУ использовались УСО, так и в диалоговом режиме коллективного доступа, при этом наиболее распро­страненными ПУ являлись дисплеи, печатающие устройства (ПчУ), внешние запоми­нающие устройства (ВЗУ) большой емкости, а также устройства сопряжения с канала­ми связи для организации дистанционного доступа. В дальнейшем развитии мини-ЭВМ по своей производительности стали незначительно отличаться от больших ЭВМ общего назначения. Широкая номенклатура периферии дополнилась блоками межпроцессорной связи, что позволило создавать системы с изменяемой структурой. Появились даже суперминикомпьютеры. Родоначальником современных мини-ЭВМ можно считать компьютер PDP-11 фирмы DEC (США). Он явился прообразом отечес­твенных мини-ЭВМ СМ 3, СМ-1420 и т.п. К относительно современным миникомпью­терам фирмы DEC можно отнести VAX - 8250, 8820; а к суперминикомпьютерам VAX-9410, 9430. Среди прочих миникомпьютеров можно отметить: однопроцессорные IBM 4381 и HP 9000; многопроцессорные Wang VS 7320 и AT&T 3B 4000; супермиником­пьютеры HS 4000. Число процессоров у миникомпьютеров может достигать 32, а число каналов ввода-вывода - 64.

ЭВМ общего назначения предназначались для решения широкого круга задач научного, инженерного и экономического характера. На базе ЭВМ этого класса создавались вычислительные центры коллективного пользования. СВВ в ЭВМ общего назначения были ориентированы на работу в пакетном режиме и в режиме коллективного доступа; в состав СВВ входили разнообразные сложные ПУ высокой производительности и устройства сопряжения с каналами связи. При проектировании СВВ этого класса машин одним из основных требований являлось обеспечение сбалансированности СВВ и средств обработки. Под сбалансированностью понимают такое соотношение между производительностью ЦП и пропускной способностью СВВ, при котором объем пере­рабатываемой за единицу времени информации соответствует объему введенной и выведенной информации за тот же интервал времени. При условии полной сбалансиро­ванности ЦП и СВВ работают без простоев, чем достигается наилучшее отношение производительности к стоимости оборудования. В последнее время центральные части (мэйнфреймы - mainframe) современных ЭВМ общего назначения (большие ЭВМ) сов­местно с сетевыми коммуникационными системами используются в качестве больших серверов вычислительных сетей. Родоначальником таких ЭВМ являются машины фир­мы IBM (США). Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обес­печением были взяты за основу отечественных ЭВМ этого класса (ЕС ЭВМ). К насто­ящему времени за рубежом выпускается уже пятое поколение таких ЭВМ. Мэйнфрей­мы обладают большой надежностью (наработка на отказ составляет более 12 лет). По данным экспертов на них сейчас находится около 70% "компьютерной" информации, только в США установлены сотни тысяч мейнфреймов.

Супер-ЭВМ по существу представляют собой высокопроизводительные проблемно-ориентированные ВС, предназначенные для выполнения достаточно узкого класса задач. В зависимости от класса решаемых задач супер-ЭВМ, быстродействие которых в настоящее время достигает сотен и тысяч миллиардов операций с плавающей запятой в секунду (GFLOPS), могут комплектоваться различными, порой очень сложными и доро­гими ПУ. При создании супер-ЭВМ основной задачей является достижение максимального быстродействия. Чтобы разгрузить центральную часть супер-ЭВМ от участия в выполнении операций ввода-вывода, часто организацию и управление этими операциями возлагают на дополнительные ЭВМ общего назначения. Супер-ЭВМ представляют собой высоко параллельные (массово параллельные) многопроцессор­ные вычислительные системы. Например, ещё в 1998 году японская фирма NEC (Nippon Electric Company) создала суперкомпьютер SX-5, содержащий 512 процес­соров и имеющий производительность 4 TFLOPS. Его система ввода-вывода обеспе­чивала общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с. Есть проекты, предусматрива­ющие использование до нескольких миллионов процессоров.

1.3. Классификация и характеристики периферий­ных устройств

По типу информации, по способу использования (индивидуальное, режим разд времени), направление (ввод/вывод), длительность цикла, по характеру (синхр/асинхр), приемник-передатчик. Буферизированные ПУ, роль буфера.

Этапы ввода, этапы вывода

Под периферийными устройствами мы понимаем устройства ЭВМ не входящие в состав ее центральной части и непосредственно взаимодействующие с объектами внешнего мира через внешние интерфейсы ввода-вывода (внешние ИВВ).

Периферийные устройства можно классифицировать по способу представления преоб­разуемой информации, по функциональному назначению и направлению обмена, по быстродействию и характеру цикла, по способу использования одним или несколькими пользователями и ряду других параметров.

По способу представления информации во внешнем мире и назначению все ПУ мож­но разделить на устройства ввода-вывода речевой, графической и текстовой информа­ции, ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, внешней памяти, устройства систем межмашинных связей и подключения к вычислительным сетям. В зависимости от направления обмена все ПУ делят на устройства ввода (УВв), вывода (УВыв) и двустороннего обмена. В отдельную функциональную группу было принято выделять устройства подготовки данных (УПД), входившие в состав систем подготовки данных (СПД) и непосредственно не связанные с ЭВМ. Каждая из перечисленных функцио­нальных групп включает в себя широкую номенклатуру ПУ, различающихся характе­ристиками, параметрами и принципами действия.

На структурную организацию СВВ влияние оказывают быстродействие ПУ и способ его использования. Возможны два способа использования: ПУ предоставляется в инди­видуальное пользование одному пользователю на все время решения задачи, либо в коллективное пользование нескольким пользователям. Если ЭВМ выполняет несколь­ко задач (в режиме разделения времени), результаты которых выдаются на одно печа­тающее устройство (ПчУ), то печать результатов от различных задач не должна пере­межаться. Такое ПУ может быть отнесено к устройствам коллективного пользования, логически закрепляемым на время выполнения за одной программой (спулинг (spoo­ling)). В отличие от ПчУ дисплей (терминал) каждого пользователя отдается ему на весь период работы с машиной: такие ПУ являются устройствами индивидуального пользования. Для ПУ коллективного пользования должны быть предусмотрены специ­альные меры, исключающие одновременное использование их несколькими програм­мами.

У УВв можно выделить следующие характерные этапы работы:

• подготовка кванта информации в ПУ,

• передача подготовленного кванта между регистром данных (РгД) ПУ и соответ­ствующим регистром в центральной части СВВ;

• ожидание (для некоторых типов ПУ), в течение которого действия в ПУ приоста­навливаются до получения сигналов разрешения от ЦУ.

У Увыв этапы их работы располагаются в ином порядке:

• ожидание ЦУ готовности ПУ к приему данных;

• передача подготовленного ЦУ кванта данных в регистр данных ПУ;

• преобразование кванта данных из внутреннего формата ВС в квант информации, используемый объектом внешнего мира и выдача его через внешний интерфейс.

Переход от этапа к этапу осуществляется под воздействием сигналов управления в определенной последовательности, повторяющиеся элементы которой образуют пол­ный цикл работы ПУ. В общем случае полный цикл ПУ, состоит из этапов подготовки, ожидания и передачи. Особенности цикла ПУ и его длительность оказывают непосред­ственное влияние на организацию СВВ в целом и на способы подключения конкрет­ного ПУ.

С точки зрения длительности цикла все ПУ можно разделить на следующие группы:

• низкоскоростные, быстродействие которых составляет десятки и сотни символов в секунду. В эту группу входят Увв непосредственной связи с пользователем - клавиа­туры, манипуляторы, ПчУ последовательного типа и т.п. Для ПУ этой группы характерным квантом информации является символ, кодируемый в виде байта;

• среднескоростные, быстродействие которых может достигать десятков и сотен тысяч символов в секунду. К ним относят параллельные и постраничные ПчУ раз­личных типов, графопостроители, УСО, устройства отображения (УО), работающие в текстовом режиме, аппаратуру передачи данных (АПД) (модемы), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), стримеры и т.д. За один цикл может быть подго­товлен квант информации из одного байта или группы байт;

• высокоскоростные, быстродействие которых измеряется единицами и десятками Мбайт/с. Наиболее характерными представителями этой группы ПУ являются неко­торые внешние запоминающие устройства (ВЗУ) на магнитных и оптических дис­ках, сетевые адаптеры, системы графического взаимодействия с пользователем и др. Характерной особенностью ПУ этого типа является обмен достаточно большими квантами информации - блоками, состоящими из множества байт. Первоначальная подготовка блока требует значительных затрат времени, а подготовка байта в преде­лах блока выполняется достаточно быстро;

• сверхбыстродействующие устройства со скоростью передачи выше 100 Мбайт/с. К числу таких ПУ можно отнести современные ВЗУ на ЖМД типа "Винчестер", сетевые адаптеры Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet и т.п.

Эти границы условны и изменяются с развитием элементной базы и технологии.

В соответствии с характером цикла все ПУ делятся на группы синхронных и асин­хронных устройств. Для синхронных ПУ цикл постоянен и обычно включает в себя только два этапа: подготовки и передачи. Для асинхронных ПУ цикл имеет перемен­ную длительность, причем непостоянство длительности полного цикла ПУ объясняется непостоянством времени подготовки или ожидания.

В любом обмене участвуют два устройства - передатчик и приемник; моменты времени передачи и приема (с учетом задержки на линиях связи) должны совпадать. В некото­рых случаях для обеспечения этого условия в ПУ предусматривают буферное запоми­нающее устройство (БЗУ) относительно небольшого объема, позволяющее в некоторой степени произвольно задерживать момент приема кванта информации относительно момента его выдачи. Такие ПУ называют буферизованными.

Таким образом, в соответствии с характером цикла ПУ и наличием в нем буфера, а также величиной подготавливаемых квантов информации все ПУ можно подразделить на синхронные и асинхронные, буферизованные и не буферизованные, с байтовой или блоковой организацией.