Структура подсистемы ввода-вывода

Для лучшего понимания процесса настройки внешних устройств обратимся к схематичному представлению структуры части компьютерной системы, предназначенной для ввода-вывода (рис. 16).

Рис. 16.

Пользователь работает с информацией, которая названа здесь как информация пользователя. Внешние устройства обмениваются информацией с прикладными программами не напрямую, а через цепочку "посредников" - аппаратных блоков компьютера и системных программ. Адаптеры и контроллеры подключены с одной стороны к общему системному интерфейсу компьютера (часто его называют системной шиной). С другой стороны каждый из них обеспечивает свой интерфейс, разработанный для конкретного внешнего устройства.

Процессор и основная память в настоящее время не работают с системной шиной непосредственно, так как оба этих устройства требуют большей производительности, чем она может предоставить. К тому же желательно обеспечить возможность гибкого отключения и подключения и регулировки скорости передачи информации для адаптеров и контроллеров. Поэтому системная плата содержит дополнительные блоки, реализующие эти функции. Для них употребляется общее название чипсет (буквально - набор полупроводниковых кристаллов). Информация пользователя обязательно проходит через блоки чипсета.

Следующей в цепочке передачи информации находится операционная система, а точнее ее специализированная часть, предназначенная для работы с конкретным внешним устройством. Для обозначения такой программы традиционно применяется термин "драйвер". Состав драйверов, загружаемых при работе компьютера, зависит от имеющихся внешних устройств. Чтобы драйвер автоматически загружался при старте компьютера, необходимо выделить драйвер из дистрибутива ОС и указать факт его наличия в системных файлах ОС. Эта операция называется установкой драйвера.

Сами внешние устройства, их адаптеры и драйверы являются настраиваемыми частями подсистемы. Запоминание настроечных параметров производится в энергонезависимых запоминающих устройствах, расположенных в чипсете, адаптерах и самих внешних устройствах. Настройки драйверов хранятся в системных файлах на диске компьютера.

Серые стрелки показывают перемещение настроечной информации в процессе настройки. Пользователь или специалист может регулировать параметры настройки с помощью утилит операционной системы. Некоторые параметры чипсета регулируются с помощью процедуры SETUP BIOS.

Параметры настройки в большинстве случаев могут быть отнесены к одной из следующих групп:

- параметры распределения системных ресурсов компьютера между внешними устройствами;

- параметры отдельных частей подсистемы ввода-вывода (драйверов, чипсета, адаптеров и контроллеров);

- параметры взаимодействия самих внешних устройств с пользователем, такие, как параметры качества или скорости отображения информации.

Системные ресурсы персонального компьютера

Системными ресурсами называются аппаратные интерфейсы, адреса и сигналы, используемые блоками компьютера для обмена данными. Два различных установленных в компьютере устройства не должны одновременно использовать один и тот же системный ресурс, иначе произойдет так называемый конфликт. Последствия в общем случае непредсказуемы. Например, информация, предназначенная одному устройству, будет попадать другому устройству или обоим сразу или ни одному.

Распределение ресурсов между устройствами в компьютерах может производиться различными способами. В персональных компьютерах исторически принят способ, когда один ресурс может быть назначен в разное время разным устройствам (но не одновременно). Такого рода ресурсы называют разделяемыми. Применение разделяемых ресурсов очень выгодно с точки зрения удешевления компьютера, но требует своевременного выявления и устранения конфликтов.

Разделяемыми ресурсами пользуются, как правило, адаптеры и контроллеры. Внешние устройства, подключаемые к ним, не всегда нуждаются в разделении ресурсов. Часто для них ресурсом является только аппаратный интерфейс соответствующего адаптера, не предусматривающий разделения (то есть к нему может подключаться только одно устройство). Таким устройством является, например, принтер. Противоположный пример - дисковые накопители, подключаемые на общий интерфейс. Для них также возникает проблема разделения и конфликтов.

В персональных компьютерах под системными ресурсами подразумевают:

- каналы запросов прерываний (Interrupt ReQuest, IRQ);

- каналы прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA);

- адреса памяти;

- адреса портов ввода-вывода.

Они отличаются по способам и скоростным параметрам передачи информации. Подробное рассмотрение этих отличий выходит за рамки данного раздела.

Конфликты, связанные с ресурсами IRQ, возникают значительно чаще, чем из-за ресурсов DMA, поскольку прерывания запрашиваются чаще. Во многих адаптерах и контроллерах используются каналы IRQ. Каналы DMA применяются реже, поэтому обычно их достаточно. Порты ввода-вывода используются во всех устройствах, но отведенных под порты 64 К номеров (адресов) обычно хватает, чтобы избежать конфликтных ситуаций.

Разработчики персонального компьютера (фирма IBM) заранее позаботились о предотвращении конфликтов и попытались создать стандартное распределение ресурсов (т. е. некоторую таблицу) для всех распространенных в то время устройств. Однако уже примерно через 10 лет емкость этой таблицы оказалась недостаточной для новых устройств. В результате назначение ресурсов для подключения новых устройств приходилось определять вручную по усмотрению пользователя. Этот процесс требует определенной квалификации и затрат времени.

В середине 90-х гг была внедрена технология PnP (сокращение от несколько жаргонного термина "plug and play" - "включай и работай"). В частности, она предназначена и для автоматического распределения разделяемых ресурсов компьютера. Новые внешние устройства соответствующие этой технологии должны иметь аппаратные блоки, при включении сообщающие компьютеру о требуемых ресурсах. На основании этих сообщений BIOS или операционная система могут автоматически программным путем отрегулировать распределение ресурсов.

Надо иметь в виду, что даже в настоящее время PnP не устраняет вероятность конфликтов до нуля, а только значительно ее снижает. Старые устройства могут не поддерживать PnP. Кроме того, в особенно сложных конфигурациях компьютера просто может не оказаться свободных ресурсов или алгоритмы PnP не найдут их. В этих случаях специалист по сервису должен вручную находить способ распределения. Практика показывает, что найти выход можно почти всегда.