12. Организация ввода/вывода в эвм (вв/выв программный, по прерываниям, по каналу прямого доступа к памяти).

Вводом/выводом называют передачу данных между ядром ЭВМ, включающим в себя процессор и ОП, и периферийными устройствами.

Система ввода-вывода – это единственное средство общения ЭВМ с внешним миром. Ее возможности в серийных ЭВМ представляют собой один из важнейших параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения.

Существует три режима ввода-вывода:

• Программный ввод-вывод (нефорсированный).

• ввод-вывод по прерыванию (форсированный).

• Прямой доступ к памяти (ПДП).

Программный ввод-вывод. Инициирование и управление вводом-выводом осуществляет процессор по командам прикладной программы. Периферийные устройства играют пассивную роль и только сигнализируют о своем состоянии, в частности о готовности к операциям ввода-вывода.

Ввод-вывод по прерыванию. Операции ввода-вывода инициирует периферийное устройство, генерируя сигнал запроса прерывания, при этом процессор переключается на подпрограмму обслуживания данного периферийного устройства, вызвавшего прерывание. Непосредственно операциями ввода-вывода управляет процессор.

Прямой доступ к памяти. Процессор в передаче данных не участвует. Он отключается от системной магистрали, а все операции обмена данными идут под управлением специального управляющего устройства – контроллера ПДП. Этот режим используется для быстродействующих периферийных устройств, когда пропускной способности процессора недостаточно.

Организация ввода-вывода

• Передача данных осуществляется по общей системной магистрали (что характерно для микроЭВМ) либо по специальной магистрали ВВОДА-ВЫВОДА (что характерно для мини- и больших ЭВМ). Иногда отдельная быстродействующая магистраль ввода-вывода выделяется только для обмена в режиме ПДП.

• Подключение периферийного устройства к системному интерфейсу осуществляется с помощью промежуточного интерфейса, поддерживаемого со стороны микроЭВМ и периферийного устройства соответствующими адаптерами.

• Операции ввода-вывода инициируются только в случае готовности периферийного устройства к обмену. При наличии нескольких периферийных устройств и обмене в режиме прерывания или ПДП вводится система приоритетов, позволяющая избежать конфликтов. В соответствии с этой системой контроллер прерываний или ПДП среди периферийных устройств, готовых к обмену, в первую очередь обслуживает периферийное устройство с высшим приоритетом.

• Передача данных осуществляется двумя способами:

  1. отдельными битами, и тогда промежуточный интерфейс называется последовательным;

  2. олными словами (например, целым байтом), и тогда промежуточный интерфейс называется параллельным.

• Информация, передаваемая в процессе ввода-вывода, подразделяется:

  1. на собственно данные;

  2. управляющие данные.

Управляющие данные от процессора называются также командными словами или приказами. Они инициируют действия, не связанные непосредственно с передачей данных (запуск устройства, запрещение прерываний, установка режимов и т.д.).

Управляющие данные от периферийного устройства называются словами состояния. Они содержат информацию об определенных признаках (о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т.д.). Состояние обычно представляется в декодированной форме – один бит для каждого признака.

Программный ввод-вывод. В этом режиме все действия, связанные с операциями ввода-вывода, реализуются командами прикладной программы, причем возможны два вида обмена – синхронный и асинхронный, которые целесообразно использовать в различных ситуациях.

Синхронный ввод-вывод. Такой ввод-вывод можно использовать для связи с периферийными устройствами, которые "всегда готовы", например светодиодные индикаторы, либо для периферийных устройств, в которых известно точно время выполнения операций, например, максимальное время, необходимое для печати одного знака. Это наиболее простой вид обмена, требующий минимум программно-аппаратных затрат. Однако при работе с медленными периферийными устройствами, как правило, не удается оптимальным образом загрузить процессор на период времени между пересылками данных.

Асинхронный ввод-вывод. В этом случае интервал между операциями обмена задается самим периферийным устройством. Информацию о готовности периферийного устройства к операциям обмена процессор получает периодически, анализируя содержимое регистра состояния периферийного устройства

Ввод-вывод по прерываниям

Для сокращения непроизводительных потерь времени процессора за счет циклов ожидания при программном обмене, т.е. когда процессор не может заниматься ничем, кроме программы ввода-вывода, используют обмен по прерыванию.

При готовности к обмену периферийное устройство посылает в процессор запрос на обслуживание – сигнал INT (запрос прерывания). Этот сигнал появляется в произвольные моменты времени, а следовательно, и в произвольной точке текущей программы. Поскольку заранее неизвестно, в какой точке программы и какие периферийные устройства инициируют прерывания, непосредственно в программе команды ввода-вывода использовать нельзя.

Ввод-вывод в режиме прямого доступа к памяти

В этом режиме обмен данными между периферийными устройствами и ОП микроЭВМ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа (или прерывающая подпрограмма), а электронные схемы, внешние по отношению к процессору.

Необходимость в скоростном обмене большими объемами информации возникает чаще всего при работе микроЭВМ с контроллерами видеосистем. Кроме того, в простейших микроЭВМ иногда возникает необходимость начальной загрузки программ в ОП из периферийных устройств.

Для получения максимальной скорости обмена желательно, чтобы периферийного устройство через контроллер ПДП имело непосредственную связь с ОП микроЭВМ, т.е. имело бы специальную магистраль. Однако такое решение существенно усложняет и удорожает микроЭВМ, особенно при подключении нескольких периферийных устройств. В большинстве микроЭВМ для реализации обмена в режиме ПДП используются шины системной магистрали.