Что такое канал ввода вывода

3. Каналы и процессоры ввода-вывода

По мере развития систем В/ВЫВ их функции усложняются. Главная цель такого усложнения — максимальное высвобождение ЦП от управления процессами ввода/вывода. Некоторые пути решения этой задачи уже были рассмотрены. Следующими шагами в преодолении проблемы могут быть:

1. Расширение возможностей МВВ и предоставление ему прав процессора со специализированным набором команд, ориентированных на операции ввода/вывода. ЦП дает указание такому процессору В/ВЫВ выполнить хранящуюся памяти ВМ программу ввода/вывода. Процессор В/ВЫВ извлекает и исполняет команды этой программы без участия центрального процессора и прерывает ЦП только после завершения всей программы ввода/вывода.

1. Рассмотренному в пункте 1 процессору ввода/вывода придается собственная локальная память, при этом возможно управление множеством устройств В/ВЫВ с минимальным привлечением ЦП.

20.05.2015 1.52 Mб 45 лек11_оргЭВМ.ppt

20.05.2015 247.81 Кб 60 Лек11_ОЭВМ.doc

20.05.2015 179.2 Кб 45 лек12_оргЭВМ.ppt

20.05.2015 391.17 Кб 50 Лек12_ОЭВМ.doc

20.05.2015 318.98 Кб 53 лек13_оргЭВМ.ppt

20.05.2015 363.01 Кб 80 Лек13_ОЭВМ.doc

20.05.2015 616.45 Кб 46 лек14_оргЭВМ.ppt

20.05.2015 174.08 Кб 53 Лек14_ОЭВМ.doc

20.05.2015 660.48 Кб 64 Лек15_ОЭВМ.doc

20.05.2015 995.33 Кб 70 Лек16_ОЭВМ.doc

20.05.2015 525.82 Кб 104 Лек17_ОЭВМ.doc

Ограничение

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

6.2. Каналы и интерфейсы ввода / вывода

Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства — каналы ввода-вывода (КВВ), задачей которых является обеспечение взаимодействия центрального процессора и ПУ (рис. 58).

Рис. 58. Схема ЭВМ с каналами ввода-вывода.

Характерная особенность КВВ заключается в том, что канал работает по хранимой в памяти программе, т. е. так же, как процессор. Следовательно, КВВ, по существу, является специализированным процессором ввода-вывода. В результате центральный процессор полностью освобождается от обслуживания операций обмена периферийных устройств с памятью. КВВ взаимодействует с ПУ через стандартные устройства сопряжения — интерфейсы и устройства управления периферийными устройствами — контроллеры. В структуре ЭВМ, показанной на рис. 58, используются интерфейсы четырех типов:

• оперативной памяти (через интерфейс осуществляется обмен информацией между ОП, процессором и каналами);
• «процессор—канал» (на рис. 58 не показан), необходимый для обмена управляющими сигналами между ними;
• ввода-вывода (через интерфейс контроллеры ПУ подключаются к каналу);
• устройств (с помощью интерфейса ПУ подключаются к контроллеру).

Контроллер осуществляет управление обменом информации для группы ПУ одного типа, например накопителей на магнитных дисках, и выполняет следующие функции:

• преобразует стандартные последовательности сигналов интерфейса в последовательности сигналов, обеспечивающие работу конкретного ПУ;
• синхронизирует работу ПУ с другими устройствами, в первую очередь, с процессором;
• обеспечивает буферизацию информации, т. е. запоминание в своей внутренней памяти обмениваемых данных на время, необходимое для реализации цикла обмена.

КВВ включает в свой состав запоминающие устройства (регистры) и логические схемы, которые выполняют упаковку, распаковку и подсчет данных, модификацию адреса данных и передачу информации из оперативной памяти в периферийные устройства и в обратном направлении. Канал работает под управлением канальной программы, которая хранится в специально отведенной области основной памяти ЭВМ. Основными функциями канала являются:

• прием команд управления работой канала из центрального процессора;
• адресация внешнего устройства, указанного в принятой команде;
• выполнение действий, заданных в командах;
• установка управляющих сигналов на шинах интерфейса ввода-вывода;
• прием управляющих сигналов, поступающих от ПУ по шинам интерфейса;
• непосредственная передача информации между оперативной памятью и ПУ;
• контроль передаваемой информации на четность;
• подсчет количества передаваемых байт информации;
• прием и анализ информации о состоянии периферийных устройств;
• формирование запросов в центральный процессор на прерывание;
• управление последовательностью прерываний от ПУ и выполнение прерывания.

Таким образом, КВВ реализует функции управления обменом информации, общие для всех ПУ, контроллер выполняет управление обменом для группы ПУ одного типа, а интерфейс осуществляет электрическую связь между каналом и контроллерами, подключенными к этому каналу, и подготавливает сигналы ввода и вывода таким образом, чтобы любое ПУ могло подключиться к каналу. В общем виде обмен информацией с использованием КВВ вы­полняется в следующем порядке: сначала центральный процессор, получив команду ввода-вывода, пе­редает ее в КВВ, который из определенной ячейки памяти считывает начальный адрес канальной программы и начинает ее выполнять; затем КВВ, выполняя команды обмена, обращается к тем или иным ПУ, читает или записывает слова информации, обращаясь в ОП, при необходимости производит изменение формата вводимых и выводимых данных и т. д. Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интерфейсов. Интерфейс – это совокупность линий и шин сигналов, электрических схем, а также алгоритмов (протоколов), осуществляющих обмен информацией между устройствами ЭВМ. Он унифицирует состав и на­значение линий связи, определяет последовательность сигналов при выполнении операций, временные соотношения и переходные процессы в линиях. Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, называют шинами интерфейса. Совокупность всех линий образует магистраль интерфейса. Надежность и производительность ЭВМ во многом зависят от характеристик интерфейсов. Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным сопряжением между всеми уровнями — стандартным интерфейсом. Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами. Интерфейсы характеризуются следующими параметрами: пропускная способностью интерфейса — количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени; максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс; информационная ширина интерфейса — число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс; максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами; динамические параметры интерфейса — время передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи; общее число проводов (линий) в интерфейсе. Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

• способ соединения компонентов системы (радиальный, магистральный, смешанный);
• способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);
• принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
• режим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

На рис. 59 представлены радиальный и магистральный интерфейсы, соединяющие центральный модуль (ЦМ) и другие модули (компоненты) системы (М₁, . М_п). Рис. 59. Радиальный и магистральный интерфейсы. Радиальный интерфейс позволяет всем модулям (М₁,. ,M_n) работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена. Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по многопроводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии. В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу «запрос-ответ». Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных. Классификация интерфейсов по назначению отражает взаимосвязь с ар­хитектурой реальных средств вычислительной техники. В соответствии с этим признаком в ЭВМ и вычислительных системах можно выделить не­сколько уровней сопряжений:

• машинные системные интерфейсы;
• локальные шины;
• интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы);
• межмашинные интерфейсы.

Машинные (внутримашинные) системные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ на уровне обмена информацией с центральным процессором, ОП и контроллерами (адаптерами) ПУ. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора и предназначенная для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VLB и PCI. Назначение интерфейсов периферийных устройств (малых интерфейсов) состоит в выполнении функций сопряжения контроллера (адаптера) с конкретным механизмом ПУ. Межмашинные интерфейсы используются в вычислительных системах и сетях. С целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единственную шину (общая шина) для памяти и устройств ввода-вывода. Персональные компьютеры первых поколений, как правило, строились на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA. Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к многоуровневой организации шин на основе использования нескольких системных и локальных шин. В современных компьютерах шины интерфейсов делят на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода-вывода. Шины процессор-память сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации подсистемы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Шины ввода-вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Обычно количество и типы устройств ввода-вывода в вычислительных системах не фиксируются, что дает возможность пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода-вывода компьютера рассматривается как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода-вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода-вывода работать независимо. 134

Каналы ввода-вывода

Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства — каналы ввода-вывода (КВВ), задачей которых является обеспечение взаимодействия центрального процессора и ПУ (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схема ЭВМ с каналами ввода-вывода.

Характерная особенность КВВ заключается в том, что канал работает по хранимой в памяти программе, т. е. так же, как процессор. Следовательно, КВВ, по существу, является специализированным процессором ввода-вывода. В результате центральный процессор полностью освобождается от обслуживания операций обмена периферийных устройств с памятью. КВВ взаимодействует с ПУ через стандартные устройства сопряжения — интерфейсы и устройства управления периферийными устройствами — контроллеры. В структуре ЭВМ, показанной на рис. 10.1, используются интерфейсы четырех типов:

• оперативной памяти (через интерфейс осуществляется обмен информацией между ОП, процессором и каналами);
• «процессор—канал» (на рис. 10.1 не показан), необходимый для обмена управляющими сигналами между ними;
• ввода-вывода (через интерфейс контроллеры ПУ подключаются к каналу);
• устройств (с помощью интерфейса ПУ подключаются к контроллеру).

• преобразует стандартные последовательности сигналов интерфейса в последовательности сигналов, обеспечивающие работу конкретного ПУ;
• синхронизирует работу ПУ с другими устройствами, в первую очередь с процессором;
• обеспечивает буферизацию информации, т. е. запоминание в своей внутренней памяти обмениваемых данных на время, необходимое для реализации цикла обмена.

• прием команд управления работой канала из центрального процессора;
• адресация внешнего устройства, указанного в принятой команде;
• выполнение действий, заданных в командах;
• установка управляющих сигналов на шинах интерфейса ввода-вывода;
• прием управляющих сигналов, поступающих от ПУ по шинам интерфейса;
• непосредственная передача информации между оперативной памятью и ПУ;
• контроль передаваемой информации на четность;
• подсчет количества передаваемых байт информации;
• прием и анализ информации о состоянии периферийных устройств;
• формирование запросов в центральный процессор на прерывание;
• управление последовательностью прерываний от ПУ и выполнение прерывания.

1. центральный процессор, получив команду ввода-вывода, пе­редает ее в канал:
2. канал из определенной ячейки памяти считывает начальный адрес канальной программы и начинает ее выполнять;
3. канал, выполняя команды обмена, обращается к тем или иным ПУ, читает или записывает слова информации, обращаясь в ОП, при необходимости производит изменение формата вводимых и выводимых данных и т. д.

Каналы ввода-вывода информации

Каналы ввода-вывода информации служат для передачи данных между ЦП, ОЗУ и ВУ — средство взаимодействия ЭВМ с внешним миром. По способу соединения между собой ЦП, основной памяти и внешних устройств архитектуры ЭВМ можно разделить на два вида.

1. ЭВМ с общим магистральным каналом обмена данными (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Функциональная схема соединения компонентов в ЭВМ на основе общего магистрального канала

Магистральный канал — пассивный многопроводный канал связи, по которому передаются сигналы разного функционального назначения. Набор проводников, по которым передаются сигналы одного функционального назначения, называется шиной. Различают шину данных (ШД), шину адресов (ША) и шину управления (ШУ).

Для соединения ЦП, основной памяти и ВУ используется одна совокупность шин, называемая общим магистральным каналом. Основные черты архитектуры па основе единого магистрального канала:

• • все устройства подключаются к магистрали одинаково — единый интерфейс;
• • имеется одно адресное пространство для основной памяти и ВУ;
• • определенная часть из общего количества возможных адресов зарезервирована для регистров ВУ и ПЗУ;
• • оставшаяся часть адресов используется ОЗУ;
• • 8 Кбайт или 4 К 16-разрядных слов отведены для регистров ВУ;
• • для обращения к ВУ используются те же команды, что и для обращения к памяти;
• • ВУ имеют возможность обмена данными с любым регистром ЦП.

Подобную архитектуру каналов ввода вывода данных имеют ЭВМ семейства Macintosh на основе МП фирмы Motorola.

2. ЭВМ с изолированными магистралями (с двумя магистральными каналами обмена данными) (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Функциональная схема соединения компонентов в ЭВМ на основе архитектуры с изолированными магистральными каналами

Основные черты архитектуры на основе изолированных магистральных каналов:

• • с функциональной точки зрения здесь имеются два тракта передачи кодов: ЦП ОЗУ, ПЗУ и ЦП ~ ВУ;
• • есть две изолированные области адресов — область адресов основной памяти и область адресов ВУ;
• • обращение к каждой из областей осуществляется различными группами команд;
• • более простой, чем в предыдущем случае, интерфейс для ВУ.

Подобную структуру каналов ввода вывода данных имеют ЭВМ семейства IBM PC, выполненные на процессорах Intel 8088/8086/80 286/80 386/ 80 486, а также на восьмиразрядных процессорах Intel 8080/8085.