3. Пристрою введення-висновку. Інтерфейси і шини.
3.1. Принципи організації підсистеми введення/висновку
Ефективність використання обчислювальних можливостей ЕОМ визначається не тільки можливостями її процесора і характеристиками основної пам'яті, але також складом її периферійних пристроїв, їхніми технічними характеристиками і способами організації їхньої спільної роботи з ядром (процесор і основна пам'ять) комп'ютера.
При розробці підсистеми введення/висновку повинні бути вирішені наступні проблеми.
Повинна бути забезпечена можливість реалізації машини з перемінною конфігурацією (тобто з перемінним складом устаткування). У першу чергу, користувач повинний мати можливість легко доповнювати машину новими пристроями, змінювати склад периферійних пристроїв відповідно до призначення ЕОМ.
Повинна реалізовуватися рівнобіжна в часі робота процесора над програмою і виконання периферійними пристроями процедур вхід/вихід.
Для користувача повинне бути спрощене і стандартизоване програмування операцій уведення/висновку, забезпечена незалежність програмування введення/висновку від особливостей того чи іншого периферійного пристрою.
Повинні бути забезпечені автоматичне розпізнавання різних ситуацій, що виникають у периферійних пристроях, і реакція ядра ЕОМ на ці ситуації (будь те готовність пристрою, різні порушення його чи роботи відсутність носіїв).
Найбільш актуальне рішення цих проблем для ЕОМ з великою кількістю різноманітних пристроїв.
Основні шляхи рішення зазначених проблем.
Модульность. Засоби сучасної ВТ проектуються на основі модульного (чи агрегатного) принципу. Він полягає в тім, що окремі пристрої виконуються у виді конструктивно закінчених модулів (агрегатів), що можуть порівняно просто в потрібних кількостях і номенклатурі поєднуватися, утворити ЕОМ.
Уніфіковані (не залежні від типу периферійних пристроїв) формати даних, якими периферійні пристрої обмінюються з ядром ЕОМ, у тому числі й уніфікований формат повідомлення, що периферійний пристрій посилає в ядро про свій стан. Перетворення в індивідуальні формати даних здійснюють контролери й адаптери.
Уніфікований інтерфейс, тобто уніфікований по складу і призначенню набір ліній і шин, уніфіковані схеми підключення, сигнали й алгоритми (протоколи) керування обміном інформацією між ПУ і ядром ЕОМ..
Уніфіковані (не залежні від типу ПУ) формат і вибір команд процесора для операцій вхід-вихід. Операція вхід-вихід з будь-яким ПУ представляє для процесора просто операцію передачі даних незалежно від особливостей принципу дії даного ПУ, типу його носія і т.п..
Багато функцій керування операціями вхід-вихід (як наприклад керування прямим доступом до пам'яті) є загальними, вони не залежать від типу ПУ. Інші є специфічними для даного типу пристроїв. Виконання загальних функцій покладають на загальні для груп ПУ уніфіковані пристрої – контролери прямого доступу до пам'яті, процесори (канали) вхід-вихід, а специфічних – на спеціалізовані для даного типу ПУ електронні блоки керування (адаптери).
Використання безлічі периферійних пристроїв ПУ з відносно невеликою швидкодією приводить до того, що основний час роботи процесора зайнято обробкою операцій вхід-вихід і чеканням готовності зовнішніх пристроїв до обміну. Це істотно знижує швидкодія ЕОМ. Ефективність роботи ЕОМ можна підвищити шляхом поділу функцій керування центральним процесором і периферійними пристроями.
Канали виходу-входу- виходу
Для поділу функцій керування центральним процесором і периферійними пристроями до складу ЕОМ включаються додаткові пристрої – канали виводу-входу-виходу (КВВ), задачею яких є забезпечення взаємодії центрального процесора і ПУ (рис. 10.1).
Характерна риса КВВ полягає в тім, що канал працює по збереженій у пам'яті програмі, тобто так само, як процесор. Отже, КВВ, власне кажучи, є спеціалізованим процесором виводу- входу-виходу. У результаті центральний процесор цілком звільняється від обслуговування операцій обміну периферійних пристроїв з пам'яттю. КВВ взаємодіє з ПУ через стандартні пристрої сполучення – інтерфейси і пристрої керування периферійними пристроями – контролери. У структурі ЕОМ, показаної на рис. 10.1, використовуються інтерфейси чотирьох типів:
оперативної пам'яті (через інтерфейс здійснюється обмін інформацією між ОП, процесором і каналами);
канал-процесор-канал" (на рис. 10.1 не показаний), необхідний для обміну керуючими сигналами між ними;
виводу-введення-висновку (через інтерфейс контролери ПУ підключаються до каналу);
пристроїв (за допомогою інтерфейсу ПУ підключаються до контролера).
Контролер здійснює керування обміном інформації для групи ПУ одного типу, наприклад нагромаджувачів на магнітних дисках, і виконує наступні функції:
перетворить стандартні послідовності сигналів інтерфейсу в послідовності сигналів, що забезпечують роботу конкретного ПУ;
синхронізує роботу ПУ з іншими пристроями, у першу чергу з процесором;
забезпечує буферизацию інформації, тобто запам'ятовування у своїй внутрішній пам'яті обмінюваних даних на час, необхідний для реалізації циклу обміну.
КВВ включає у свій склад запам'ятовуючі пристрої (регістри) і логічні схеми, що виконують упакування, розпакування і підрахунок даних, модифікацію адреси даних і передачу інформації з оперативної пам'яті в периферійні пристрої й у зворотному напрямку. Канал працює під керуванням канальної програми, що зберігається в спеціально відведеній області основної пам'яті ЕОМ.
Основні функції каналу:
прийом команд керування роботою каналу з центрального процесора;
адресація зовнішнього пристрою, зазначеного в прийнятій команді;
виконання дій, заданих у командах;
установка керуючих сигналів на шинах інтерфейсу виходу- вхід-вихід;
прийом керуючих сигналів, що надходять від ПУ по шинах інтерфейсу;
безпосередня передача інформації між оперативною пам'яттю і ПУ;
контроль переданої інформації на парність;
підрахунок кількості переданих байт інформації;
прийом і аналіз інформації про стан периферійних пристроїв;
формування запитів у центральний процесор на переривання;
керування послідовністю переривань від ПУ і виконання переривання.
Таким чином, КВВ реалізує функції керування обміном інформації, загальні для всіх ПУ, контролер виконує керування обміном для групи ПУ одного типу, а інтерфейс здійснює електричний зв'язок між каналом і контролерами, підключеними до цього каналу, і підготовляє сигнали введення і висновку таким чином, щоб будь-яке ПУ могло підключитися до каналу.
У загальному виді обмін інформацією з використанням КВВ виконується в наступному порядку:
центральний процесор, одержавши команду виводу- вхід-вихід, передає її в канал:
канал з визначеної комірки пам'яті зчитує початкова адреса канальної програми і починає неї виконувати;
канал, виконуючи команди обміну, звертається до тих чи іншим ПУ, чи читає записує слова інформації, звертаючи в ОП, при необхідності робить зміна формату що вводяться і виведених даних і т.д..
Зв'язок пристроїв ЕОМ один з одним здійснюється за допомогою інтерфейсів.