Периферийные устройства (стр. 15 )

-  определение места в ОП, где должен быть размещен сформированный машинный блок при вводе или откуда должен быть выбран при выводе, т. е. формирование текущего адреса ОП;

-  формирование управляющих сигналов для работы ПУ в различных режимах, задание типа выполняемой операции и т. д.;

-  получение и обработка сигналов, характеризующих состояние ПУ, возможность выполнения им каких либо действий;

-  получение приказов от ЦП на выполнение операций ввода-вывода, формирование сообщений о состоянии СВВ;

-  синхронизация процессов ЦУ и ПУ.

3.3 Совмещение операций обработки ввода-вывода

Основные средства, позволяющие совместить операции ввода-вывода - прерывания и приостановки.

Прерывание - процесс переключения ЦП с одной программы на другую по внешнему сигналу с сохранением информации для последующего возобновления прерванной программы. Процесс прерывания показан на рисунке 3.4, где ПУ при возникновении события, требующего реакции со стороны ЦП, формирует сигнал, называемый запросом прерывания. Он может поступать в ЦП в произвольные моменты времени асинхронно по отношению к выполнению программы, поэтому запросы прерываний запоминаются на специальном регистре, называемый регистром запроса прерываний (РгЗП).

Рисунок 3.4 – Схема работы прерывания

Состояние РгЗП анализируется аппаратными или программными сред - ствами в определенные моменты выполнения программы (команды). После выполнения каждой команды схемы управления производят опрос состояния РгЗП и при наличии в нем единицы переходят к выполнению прерывания. Интервал времени ожидания между моментом поступления сигнала запроса прерывания в РгЗП и моментом начала обработки прерывания называют временем реакции на прерывание. Обработка прерывания включает в себя этапы запоминания состояния прерываемой программы и перехода к выполнению прерывающей программы (Тз – время запоминания состояния), собственно выполнения прерывающей программы (Тпп), восстановления состояния прерванной программы и возврата к ее выполнению (Тв). Интервалы Тз и Тв представляют собой накладные затраты, зависящие от способа реализации системы прерываний, которые в случае использования механизма прерываний для согласования моментов времени передачи данных между ЦП и ПУ могут снизить возможность параллельного выполнения операций обработки и ввода-вывода или сделать его невозможным.

Систему прерываний характеризуют способом опроса РгЗП, общим числом входов от внешних источников, числом уровней прерывания (по которым сгруппированы определенные источники), глубиной прерывания (максимальным числом программ, которые могут быть последовательно прерваны друг другом), системой приоритетов и организацией переходов к следующей программе.

Приостановка - процесс, при котором средства управления, работающие автономно от ЦП, задерживают работу на время цикла памяти Тц, при этом ОЗУ непосредственно занято приемом или выдачей информации для другого устройства. Во время приостановок текущее состояние процессора не меняется, но выполнение программы (команды) задерживается до освобождения ОЗУ. Процесс приостановки работы ЦП показан на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Схема работы приостановки

Если обращение процессора к ОЗУ произошло в момент времени t1, но ОЗУ занято выполнением записи-чтения данных от другого источника (например, от СВВ), то работа ЦП приостанавливается на время t до момента t2 освобождения ОЗУ. Приостановки используются при организации СВВ.

3.4 Исключение простоев в работе ЦП

Однопрограммный режим работы. Это когда программы в ЦП выполняются последовательно и переход к следующей осуществляется только после завершения предыдущей (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Однопрограммный режим работы

Режим работы при опережающем вводе. При опережающем вводе вся информация, подлежащая вводу, разбивается на несколько порций. Вначале производится ввод первой порции, содержащей программу и данные, необходимые для начала операции обработки. Вторую порцию информации СВВ вводит при параллельно работающем ЦП. Если ввод второй информации завершается до окончания обработки первой порции, то ЦП простаивать не будет. Для такой организации вычислительного процесса необходимо, чтобы программа предвосхитила потребность в данных и начала их ввода заранее. При однопрограммном режиме работы вывод данных может быть организован параллельно с обработкой, начиная с момента их получения (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Режим работы с опережающем вводом

Мультипрограммный режим. Предполагает наличие в ОП нескольких независимых программ, принятых на обслуживание. Программы (или участки одной программы) можно считать независимыми, если каждая из них может быть выполнена без использования результатов обработки других программ. При мультипрограммном режиме обслуживания, т. е. обработка, ввод или вывод любой программы, может быть начато независимо от того, завершилась ли обработка других программ. Среди программ, принятых к обслуживанию и находящихся в ОП, могут быть программы готовые к обработке; некоторые программы могут требовать ввода данных, другие программы завершили обработку и ожидают операции вывода. Все программы (или их запросы) находятся в очередях к соответствующим устройствам: устройствам ввода (УВв), устройствам вывода (УВыв), ВЗУ, ЦП, переходя по мере выполнения соответствующих операций из одной очереди в другую. Пример ускорения за счет параллельного выполнения операций обработки ввода-вывода приведен на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Мультипрограммный режим работы

3.5 Канал ввода-вывода

Канал ввода-вывода (КВВ) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации, управления обменом и непосредственной передачи данных между ОП и ПУ. Канал образует маршрут передачи данных между ОП и ПУ и осуществляет управление обменом, начиная от установления связи и кончая завершением передачи и разрушением установленной связи. Физическая реализация КВВ выполняется специальными аппаратными средствами (средствами интерфейса) в соответствии с правилами обмена сигналами.

Основные функции КВВ.

В первую группу входят функции по установлению логической связи между ПУ и УП, т. е. по образованию "канала" для передачи данных.

Вторая группа функций КВВ связана с передачей данных между ПУ и ОП и включает в себя:

-  определение текущего адреса ячейки памяти для записи или чтения;

-  преобразование форматов данных;

-  контроль передаваемых по "каналам" данных;

-  определение особых условий в процессе выполнения операций (завершение передачи информации и потребность в дополнительной управляющей информации, возникновения ошибки т. п.).

Третья группа функций связана с завершением обмена и разрушением "канала". Она включает в себя:

-  определение момента завершения обмена по сигналу от ЦП или ПУ;

-  определение причины завершения обмена, т. е. завершена ли передача всех данных или в процессе обмена обнаружена ошибка;

-  информирование ЦП об изменении состояния компонентов СВВ;

-  передача управляющей информации компонентам СВВ, посредством которой они переводятся в исходное состояние.

Если все функции управления обменом осуществляются средствами управления интерфейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называют программным.

Характеристики КВВ. Выделяют две характеристики:

-  нагрузочную способность Nмах, т. е. наибольшее число ПУ, которые может обслуживать КВВ, не вызывая потери информации и снижения скорости их работы;

-  номинальную пропускную способность Vквв, т. е. число байт данных, которые могут быть переданы посредством КВВ между ПУ и ОП за единицу времени при условии, что никакие другие устройства ВС не мешают выполнению функции КВВ.

Одним из важных параметров, характеризующих способность КВВ работать параллельно с ЦП, является коэффициент работоспособности программы, который показывает долю времени, затрачиваемого ЦП на программу обработки при параллельном выполнении операций в СВВ. Коэффициент работоспособности зависит от способа организации СВВ, числа параллельно работающих ПУ и быстродействия каждого из них.

Прямой доступ к памяти.

Для реализации прямого доступа к памяти в КВВ должны быть выделенные аппаратные средства, которые осуществяют буферизация и преобразование форматов данных; определение текущего адреса для передаваемого в память или из нее слова, определение момента завершения обмена.

Если функции КВВ выполняются специально выделенной аппаратурой, работающей под управлением собственной программы, то реализованный таким способом КВВ называют процессором ввода-вывода (ПВВ).

При прямом доступе к памяти ЦП и ПВВ могут иметь собственные регистры адресов РгА и данных РгД, как показано на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Прямой доступ к памяти с непосредственным обращением

Такую реализацию прямого доступа называют с непосредственным обращением к ОП. Приостановки при этом возникают только при одновременном обращении в ОП со стороны ЦП и ПВВ и их длительность не превышает цикла ОП (Тц).

Возможна реализация прямого доступа с косвенным обращением к ОП, рисунок 3.10. В этом случае приостановки ЦП возникают при любой передаче информации между ОП и ПВВ независимо от того, выполняется ли в ЦП команда с обращением или без обращения к памяти.

Рисунок 3.10 - Прямой доступ с косвенным обращением

3.6 Посроения ПЭВМ на основе многомагистральной структуре