Организация ввода-вывода информации в ЭВМ

При изучении данной темы Вы должны познакомиться с принципами и средствами, используемыми при организации ввода-вывода в ЭВМ, а также организацией систем памяти ЭВМ в целом.

Для проверки изучения материала темы Вам предстоит ответить на вопросы для самопроверки.

Если Вы испытываете затруднения в ответе на какой-либо вопрос, обратитесь к учебнику [1] или к материалам файла Lect3.doc учебного сайта либо раздела сайта ord.com.ru/files/org_evm.

4.2.1. Принципы организации ввода-вывода в ЭВМ

Операции ввода-вывода в ЭВМ представляют собой процедуры обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами.

В ЭВМ первых поколений устройства ввода-вывода, как правило, непосредственно определялись архитектурой ЭВМ и не могли заменяться по типу. Эти устройства подключались по индивидуальным шинам, для каждого из них имелись собственные блоки управления, которые получали специальные команды процессора для конкретных устройств. Возможности варьировать состав или характеристики подключаемых устройств были очень ограничены.

Интерфейс

По мере увеличения числа областей применения ЭВМ, расширения спектра периферийных устройств и их характеристик возникла необходимость в выборе определенного набора периферийных устройств для конкретной ЭВМ и возможности последующей его модификации.

Это потребовало новых концепций и принципов организации ввода-вывода в ЭВМ. Ключевой идеей стала концепция интерфейса. Она предполагала построение единой системы шин для связи с различными периферийными устройствами. Для этой системы шин оговаривались: расположение и функциональное назначение шин, протоколы обмена, электрические и физические параметры линий и передаваемых по ним сигналов.

Такая унификация позволяла осуществлять стандартное подключение к ЭВМ любого периферийного устройства, поддерживающего параметры интерфейса. Кроме того, должны были быть унифицированы форматы данных, передаваемых по интерфейсу, а также в первоначальной концепции команды процессора, управляющие интерфейсом.

Конечно, в периферийные устройства стало необходимо встраивать управляющие устройства, которые обеспечивали подключение к интерфейсу.

Одной из первых массовых реализаций концепции такого интерфейса стал интерфейс системы IBM-360 (Единой системы ЭВМ).

Так был сделан шаг от специализированных интерфейсов к универсальным.

Появление универсального интерфейса способствовало дальнейшему расширению спектра периферийных устройств, которые теперь могли производиться компаниями, непосредственно не изготавливающими ЭВМ.

Иерархия управления

Скорости работы периферийных устройств, как правило, значительно ниже скорости работы процессора, и возлагать непосредственное управление операцией ввода-вывода на процессор нецелесообразно, хотя такие режимы работы и существуют. Поэтому управление операциями ввода-вывода реализуется с помощью иерархии управляющих блоков.

На верхнем уровне находится процессор, который определяет общий характер и основные параметры операции: направление передачи (ввод или вывод), количество передаваемой информации, место в оперативной памяти, куда или откуда будет передаваться информация. В случае обмена с внешней памятью указывается ее область, участвующая в обмене.

На следующем уровне находится устройство, которое преобразует команды процессора в последовательности управляющих сигналов, передаваемых по интерфейсу ввода-вывода, а после начала операции передает или получает и собственно передаваемую информацию. В качестве такого устройства в ЭВМ выступает канал ввода-вывода или контроллер, поддерживающий интерфейс, к которому подключаются периферийные устройства. Каналы или контроллеры можно рассматривать как специализированные процессоры, выполняющие свои собственные программы, реализующие управление операциями ввода-вывода на промежуточном (логическом) уровне.

Еще одним уровнем управления вводом-выводом служит контроллер периферийного устройства. В его задачи входит преобразование управляющих сигналов, получаемых по шинам интерфейса, в управляющие сигналы самого устройства; преобразование получаемой или передаваемой информации в/из форматов (и физических форм), используемых в самом устройстве, а также формирование сигналов оповещения о состоянии устройства, передаваемых на линии интерфейса. Эту схему управления операциями ввода-вывода можно представить в общем виде так, как показано на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Иерархия управления операциями ввода-вывода

Режимы управления вводом-выводом

Первым простейшим режимом управления вводом-выводом был режим программно-управляемого ввода-вывода. В этом режиме процессор непосредственно управлял опросом состояния и передачей данных между оперативной памятью и периферийным устройством, выдавая соответствующие команды. Общая блок схема такого управления показана на рис. 4.6, где СчПД – счетчик количества переданных данных.

Рис. 4.6. Программно-управляемый ввод-вывод

Такой режим прост в реализации и не требует дополнительных средств. Но синхронизация и собственно передача данных возлагаются на процессор. Это приводит к высокой его загрузке во время выполнения таких операций, вплоть до полной остановки исполнения других программ. Высокой скорости ввода-вывода в этом режиме при контроле состояния периферийного устройства достичь нельзя. Некоторое исключение составлял режим PIO (для старых компакт дисков), в котором процессор только передавал данные по командам “ввод/вывод строки”. Это обеспечивало скорость передачи до 16 Мбайт/с, но в синхронизации передачи участвовали аппаратные средства контроллера дискового интерфейса.

В режиме программно-управляемого ввода вывода иерархия, показанная на рис. 4.5, может не включать в себя уровень канала ввода-вывода, а также сводить к минимуму роль контроллера периферийного устройства.

С появлением средств прерывания стала возможной модификация программно-управляемого ввода-вывода, при которой процессор не опрашивал командами состояние периферийного устройства, а напротив, устройство выставляло сигнал прерывания при готовности к передаче. Такой режим иногда называют программно-управляемый ввод-вывод с прерываниями. Он позволяет получить более высокую скорость обмена и разгрузить процессор, но большое количество прерываний не позволяет значительно улучшить эти показатели.

Более высокую скорость обмена позволяет получить режим, в котором процессор используется только на стадии запуска и завершения операции ввода-вывода и освобождается от непосредственного управления ею. Такой режим предполагает непосредственную передачу информации между периферийным устройством и оперативной памятью, что и обусловило его название – прямой доступ к памяти (ПДП, или DMA – Direct Memory Access).

Непосредственное управление режимом прямого доступа к памяти осуществляется каналом (процессором) ввода-вывода или контроллером прямого доступа (используются и варианты управления шинами интерфейса контроллером периферийного устройства). На начальном этапе операции процессор посылает в канал или контроллер: начальный адрес области оперативной памяти, с которой будет производиться обмен (ввод или вывод); значение счетчика, равное количеству байтов, которое требуется передать; дополнительные параметры операции (в числе которых и направление передачи – ввод или вывод).

После этого процессор переходит к другим задачам, а управление операцией до ее завершения продолжает канал или контроллер ПДП.

Общий порядок циклов обмена с прямым доступом примерно одинаков и сводится к следующим шагам.

Получив от устройства, управление обменом данными которого с памятью осуществляет контроллер, информацию о готовности устройства принять или передать данные, контроллер запрашивает управление шиной данных памяти. Причем приоритет контроллера выше приоритета процессора.

Получив управление шиной памяти, контроллер выставляет на шину адрес памяти, по которому следует прочитать или записать данные. Далее при вводе данных он получает данные от устройства, выставляет их на шину данных памяти и запускает цикл записи в память. При выводе данных контроллер запускает цикл чтения памяти по установленному им адресу, по окончании которого считывает данные с шины данных памяти и передает их в устройство, осуществляющее обмен.

Если устройство передает данные с высокой скоростью, то контроллер запрашивает управление шиной сразу на несколько циклов, организуя передачу целого пакета данных. (Работу контроллера ПДП могут также называть захватом цикла и управлением шиной – bus mastering соответственно; иногда о ПДП говорят как о частном случае bus mastering.)

Скорость передачи данных по каналу ПДП (DMA) не слишком высокая. Первоначально она составляла 2 Мб/с, специальные модификации в пакетных режимах позволили поднять ее до 100 Мб/с и выше (Ultra DMA).

Позднее режим прямого доступа перерос в более общие способы управления интерфейсными шинами и связью между устройствами ЭВМ.

Специализация интерфейсов

Внешние устройства разного вида значительно различаются по скорости передачи данных и по характеру режимов передачи (равномерный, пакетный). Подключать к одинаковому интерфейсу низко- и высокоскоростные устройства экономически нецелесообразно. Существовали также специализированные интерфейсы, используемые в ряде применений, отказ от которых неоправдан.

Поэтому развитие интерфейсов привело к сосуществованию, как минимум, двух уровней интерфейсов: системного и периферийного. К этим уровням можно добавить и внутренние интерфейсы (шины), связывающие процессор с системными контроллерами, а также сами эти контроллеры между собой.

Первый уровень включает в себя интерфейсы рассмотренного выше вида. К ним можно отнести единый интерфейс ЕС ЭВМ, общую шину СМ ЭВМ, AT-шину ранних ПЭВМ, интерфейсы ISA, PCI (с ее модификациями), AGP, а также с некоторыми оговорками IDE (ATA), LPC, широко распространенные в современных ЭВМ. Эти интерфейсы используются для внутреннего или стационарного подключения контроллеров типовых периферийных устройств, а также некоторых внутрисистемных устройств.

Интерфейсы второго из названных уровней используются для внешнего коммутируемого подключения периферийных устройств. К ним относятся шины USB, IEEE-1384 (FireWire), COM, LPT и Game порты. К данному уровню можно отнести и интерфейсы внешний SATA и SCSI, а также интерфейсы для подключения мониторов, клавиатуры и мыши. Эти интерфейсы реализуются специальными контроллерами, подключаемыми к системному интерфейсу, т. е. с помощью еще одного уровня управления операциями ввода-вывода.

В последние годы получил распространение и несколько иной принцип построения интерфейсов: не набор шин, к которым подключаются параллельно различные устройства (точнее, их контроллеры), а попарные соединения (точка-точка) устройств с мостами и коммутаторами или даже друг с другом.

Так был сделан следующий шаг в развитии архитектуры средств ввода-вывода – теперь от универсальных интерфейсов к специализированным.

4.2.2. Периферийные устройства ЭВМ

К периферийным устройствам ЭВМ относится очень широкий спектр оборудования, используемого для обмена информацией с ЭВМ. В зависимости от функционального назначения их можно разделить на большие группы устройств, используемых для хранения информации, для ввода-вывода информации и для связи с различными объектами и другими системами. К периферийным устройствам иногда относят и модемы, используемые для передачи информации по различным каналам.

Устройства ввода

Устройства ввода принято подразделять на ручные и автоматические.

К ручным устройствам ввода относят клавиатуры, манипуляторы (мыши, трэкболы, сенсорные панели, джойстики, руль, педали), планшеты, сенсорные дисплеи (это одновременно и ввод, и вывод) и т. п. К автоматическим устройствам ввода относятся различные устройства для восприятия в основном не цифровых объектов.

Клавиатура может встраиваться в специальные пульты управления, непосредственно в саму ЭВМ либо представлять собой отдельную панель, как клавиатура ПЭВМ. Варианты клавиатур различаются набором клавиш, расположением и размером основных управляющих клавиш. Также имеют место отличия в реализации контактных групп клавиш, типе связи (проводная, беспроводная) и соединительных разъемах [3].

Семейство манипуляторов-указателей, включающее в себя ряд разновидностей мышей и их заменители (трекболы и сенсорные панели, а также игровые джойстики и планшеты), используется для управления графическими указателями, имеющимися в различных приложениях, и для некоторых дополнительных функций, связанных с графическим вводом.

Описание особенностей и разновидностей ряда манипуляторов дано в [3].

Сенсорные панели, планшеты (иногда их называют дигитайзерами) и сенсорные дисплеи позволяют вводить координаты точек, в которых к ним прикасается палец или специальное перо. Обычно они используются в различных мобильных применениях или терминалах информационных систем.

Автоматические устройства ввода в настоящее время используются как средства для ввода изображений, речи, звуков и различных сигналов. Наиболее распространенными устройствами ввода статических изображений являются сканеры, а ввода динамических изображений – web-камеры. Аналого-цифровые преобразователи обычно используются для организации связи с различными объектами.

Устройства вывода

Основными устройствами вывода для ЭВМ являются устройства отображения текста и графики на бумаге (пленках, дисках и пр.) и экранах. Существуют также устройства на основе цифроаналоговых преобразователей и других схем, используемые в управляющих системах для вывода сигналов в объекты управления. Цифроаналоговые преобразователи используются и в аудиотехнике, подключаемой к ЭВМ.

Устройствами вывода информации на бумагу или иные “твердые” носители являются принтеры и плоттеры (графопостроители).

Наиболее распространены струйные и лазерные принтеры. Струйные принтеры печатают, выбрасывая на бумагу микроскопические капли специальных чернил. По способу образования и выброса капель они бывают электростатические, пьезоэлектрические и пузырьковые. Их различают и по обеспечиваемому разрешению, возможности цветной печати, количеству используемых цветов чернил, скорости печати, размеру и типу бумаги.

Лазерные принтеры (а также светодиодные) действуют по принципу, аналогичному используемому в копировальных аппаратах. В них изображение проецируется на покрытый селеном барабан, поверхность которого несет электрический заряд. Засвеченные участки разряжаются лазерным лучом (подсветкой светодиодами), а к заряженным притягивается красящий порошок, который переносится на бумагу и фиксируется подогревом.

Лазерные принтеры различаются обеспечиваемым разрешением, скоростью печати, форматом бумаги и конструктивными параметрами – способами подачи бумаги, размерами и расположением лотков для нее, устройством механизмов протяжки, подогрева, фокусировки и т.д.

Существуют также матричные и сублимационные принтеры. Информация об этих и названных выше принтерах приведена в [3].

Плоттеры используются для отображения графических материалов большого формата (до А0) при конструкторских, архитектурных, оформительских работах. Плоттеры различаются принципом отображения (печать, рисование, вырезание), способом перемещения бумаги, форматом, разрешением и производительностью.

Кроме упомянутых устройств, для вывода информации могут использоваться проекторы, цифроаналоговые преобразователи и некоторые другие устройства.

Вопросы для самопроверки по теме 4.2

1. Каковы основные требования к системе ввода-вывода информации ЭВМ?

2. Что такое интерфейс ввода-вывода?

3. Чем различаются основные режимы ввода-вывода?

4. Что такое прямой доступ к памяти?

5. Каковы основные функции каналов ввода-вывода?

6. Для чего нужен контроллер периферийного устройства?

7. Что такое мастер шины?

8. Где используются аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи?

9. Назовите основные устройства ввода

Дата добавления: 2015-08-13