Периферийные устройства (стр. 15 )

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

В больших компьютерах (IBM-360/370, ЕС ЭВМ), работающих в мультипрограммном режиме и имеющих мощный процессор, большой емкости ОЗУ и много разнообразных ПУ, используется многомагистральная структура с выделенными каналами ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ (рисунок 3.11).

Большие ЭВМ имеют иерархическую структуру, в которой выделяется четыре уровня устройств, причем каждый уровень находится в отношении подчинения более высокому уровню.

Рисунок 3.11  - Многомагистральная структура с выделенными каналами

ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ

На первом (верхнем) уровне располагаются центральный процессор и ОЗУ.

Устройства второго и третьего уровней – каналы ввода-вывода и устройства управления периферийными устройствами. Они предназначены для подключения периферийных устройств к центральным и управления вводом-выводом информации. КВВ делятся на мультиплексные (для подключения периферийных устройств с ограниченным быстродействием) и селекторные (для быстродействующих периферийных устройств) каналы.

Устройства третьего уровня, называемые контроллерами, производят  управление работой периферийных устройств по командам и обеспечивают их стандартное сопряжение в соответствии с требованиями интерфейса ввода-вывода.

На четвертом уровне расположены периферийные устройства, являющиеся для ПЭВМ источниками и приемниками информации.

Устройства соседних уровней в иерархической структуре связаны между собой через стандартные сопряжения – интерфейсы.

3.7 Посроения ПЭВМ на основе  одномагистральной структуре

Магистральная структура характерна для машин классов мини-ЭВМ (DEC PDP-11, СM ЭВМ), в том числе и для персональных компьютеров.

Эти машины строилась по одномагистральной структуре с распределенным каналом ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ (рисунок  3.12).  Функции управления вводом-выводом выполнял процессор. В качестве высокоскоростного канала применялся контроллер прямого доступа к памяти.

Все устройства объединяются в систему с помощью единого канала, называемого магистралью или системной шиной.

Рисунок 3.12 - Одномагистральной структуре с распределенным каналом

ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ

Взаимодействие устройств через общую шину производится на основе принципа задатчик-исполнитель. Выбор задатчика осуществляется схемой приоритета (арбитром) процессора.

3.8 Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Персональный компьютер (ПК) состоит из отдельных модулей, объединяемых посредством системной магистрали (шины). Такой принцип организации архитектуры называется магистрально-модульным.

Структурная схема современного IBM PC-совместимого компьютера приведена на рисунке 3.13. Ядром компьютера является процессор (CPU), один или несколько, ОЗУ (RAM), ПЗУ с BIOS (ROM BIOS) и интерфейсные средства, связывающие их между собой и с остальными компонентами. На рисунке изображены лишь логические связи между этими устройствами.

Рисунок 3.13 - Структурная схема компьютера

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие  черты:

процессор, программно совместимый с семейством x86 фирмы Intel; специфическая система распределения пространства адресов памяти;

Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) (рисунок 3.14).

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств.

Рисунок 3.14 - Архитектура персональных компьютеров

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

4 Интерфейсы

4.1 Общие сведения о интерфейсах

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации различных функций.