Файл: Tannenbaum.pdf

1 0 8

Глава 2 Организация компьютерных систем

Процесс ввода-вывода

Как мы сказали в начале этой главы, компьютерная система состоит из трех основ-

ных компонентов: центрального процессора, памяти (основной и вспомогатель-
ной) и устройств ввода-вывода (принтеров, сканеров и модемов). До сих пор мы

рассматривали центральные процессоры и память. Теперь мы займемся изучени-
ем устройств ввода-вывода и тем, как они связываются с остальными компонента-
ми системы.

Шины

Большинство персональных компьютеров и рабочих станций имеют физическую

структуру, сходную с той, которая изображена на рис. 2.23. Обычное устройство

представляет собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне,
которая называется

 материнской

 платой. Материнская плата содержит микросхе-

му процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные микросхемы
поддержки Она также содержит шину, протянутую вдоль нее, и несколько разъе-
мов для подсоединения плат устройств ввода-вывода. Иногда может быть две шины
одна с высокой скоростью передачи данных (для современных плат устройств

ввода-вывода), а другая с низкой скоростью передачи данных (для старых плат

устройств в вода-вывода).

Контроллер SCSI

Звуковая ка

Модем

Корпус печатной платы

Краевой разъем

Рис. 2.23. Физическая структура персонального компьютера

Логическая структура обычного персонального компьютера показана на рис. 2.24.

У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрального процес-

сора, памяти и устройств ввода-вывода, однако большинство систем содержат две

и более шин Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна из

 них

содержит большую часть электроники и называется

 контроллером,

 а другая пред-

ставляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер
обычно содержится на плате, которая втыкается в свободный разъем. Исключение

представляют контроллеры, являющиеся обязательными (например, клавиатура),
которые иногда располагаются на материнской плате. Хотя дисплей (монитор) и не

является факультативным устройством, соответствующий контроллер иногда рас-

Процесс ввода-вывода

109

полагается на встроенной плате, чтобы пользователь мог по желанию выбирать
платы с графическими ускорителями или без них, устанавливать дополнительную
память и т. д. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который под-
соединяется к разъему на задней стороне корпуса.

Монитор

Клавиатура

Контроллер

гибкого

диска

Контроллер

жесткого

диска

ч

Центральный

процессор

Память

Контроллер

видеоизображения

Контроллер

клавиатуры

Контроллер

гибкого

диска

Контроллер

жесткого

диска

Шина

Рис. 2.24.

 Логическая структура обычного персонального компьютера

Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и регулирует доступ к

шине для этого. Например, если программа запрашивает данные с диска, она по-

сылает команду контроллеру диска, который затем отправляет команды поиска и
другие команды на диск. После нахождения соответствующей дорожки и сектора
диск начинает передавать контроллеру данные в виде потока битов. Задача кон-
троллера состоит в том, чтобы разбить поток битов на куски и записывать каждый

такой кусок в память по мере их накопления. Отдельный кусок обычно представ-

ляет собой одно или несколько слов. Если контроллер считывает данные из памя-

ти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят,
что осуществляется

 прямой доступ к памяти (Direct Memory Access,

 сокращенно

DMA).

 Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает

 прерывание,

вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и

начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется

 программой

обработки прерывания

 и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходи-

мые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что
процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завер-

шена, процессор возобновляет работу программы, которая была приостановлена
в момент прерывания.

Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором

для передачи команд и данных. А что происходит, если процессор и контроллер

ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно? В этом случае особая
микросхема, которая называется

 арбитром шины,

 решает, чья очередь первая.

Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дис-
ков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привес-

ти к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует,

центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для связи с па-

1 1 0 Глава 2. Организация компьютерных систем

мятью. Однако если какое-нибудь устройство ввода-вывода находится в действии,
оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это

необходимо. Такой процесс называется

 занятием цикла памяти

 и замедляет рабо-

ту компьютера.

Такая система успешно использовалась в первых персональных компьютерах,

поскольку все их компоненты работали примерно с одинаковой скоростью. Одна-
ко как только центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали

работать быстрее, возникла проблема: шина больше не могла справляться с такой

нагрузкой. В случае с закрытыми системами, например рабочими станциями, ре-
шением данной проблемы стала разработка новой шины с более высокой скорос-
тью передачи данных для следующей модели машины. Поскольку никто никогда
не переносил устройства ввода-вывода со старой модели на новую, такой подход
работал успешно.

И все же в мире персональных компьютеров многие заменяли процессор более

усовершенствованным, но при этом хотели подсоединить свой старый принтер,

сканер

 и

 модем

 к

 новой системе. Кроме того, существовала целая обширная от-

расль промышленности, которая выпускала широкий спектр устройств ввода-вы-

вода для шины IBM PC, и производители этих устройств были совершенно не за-
интересованы в том, чтобы начинать все разработки заново. Компания IBM прошла
этот тяжелый путь, выпустив после серии IBM PC серию PS/2. У PS/2 была но-
вая шина с более высокой скоростью передачи данных, но большинство произво-

дителей клонов продолжали использовать старую шину PC, которая сейчас назы-

вается шиной

 ISA (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная

архитектура).

 Большинство производителей дисков и устройств ввода-вывода

также продолжали выпускать контроллеры для старой модели, поэтому

 IBM

 ока-

залась в весьма неприятной ситуации, поскольку она в тот момент была единствен-
ным производителем персональных компьютеров, несовместимых с серией IBM.

В конце концов компания была вынуждена вернуться к производству компьюте-
ров на основе шины ISA. Отметим, что ISA также может быть сокращением от

Instruction Set Architecture (архитектура набора команд), если речь идет об уров-

нях компьютера. А если речь идет о шинах, аббревиатура ISA означает Industry

Standard Architecture (стандартная промышленная архитектура).

Тем не менее, несмотря на то, что из-за влияния рынка никаких изменений не

произошло, старая шина работала слишком медленно, поэтому что-то нужно было
предпринять. Данная ситуация привела к тому, что другие компании начали произ-
водить компьютеры с несколькими шинами, одна из которых была старой шиной

ISA или

 EISA (Extended ISA — расширенная архитектура промышленного стан-

дарта).

 EISA — последователь ISA, совместимый со старыми версиями. В настоя-

щее время самой популярной из них является шина

 PCI (Peripheral Component

Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов).

 Она была разрабо-

тана компанией Intel, при этом было решено сделать все патенты всеобщим досто-

янием, чтобы вся компьютерная промышленность (в том числе и конкуренты ком-

пании) могла перенять эту идею.

Существует много различных конфигураций шины PCI. Наиболее типичная

из них показана на рис. 2.25. В такой конфигурации центральный процессор об-

Процесс ввода-вывода

111

щается с контроллером памяти по специальному средству связи с высокой скоро-
стью передачи данных. Контроллер соединяется с памятью и шиной PCI непо-
средственно, и таким образом, передача данных между центральным процессо-

ром и памятью происходит не через шину PCI. Однако периферийные устройства

с высокой скоростью передачи данных, например SCSI-диски, могут подсоединять-
ся прямо к шине PCI. Кроме того, шина PCI имеет параллельное соединение с ши-
ной ISA, чтобы можно было использовать контроллеры ISA и соответствующие

устройства. Машина такого типа обычно содержит 3 или 4 пустых разъема PCI и

еще 3 или 4 пустых разъема ISA, чтобы покупатели имели возможность вставлять
и старые карты ввода-вывода ISA (для медленно работающих устройств), и новые
карты PCI (для устройств с высокой скоростью работы

1

).

В настоящее время существует много разных видов устройств ввода-вывода.

Некоторые наиболее распространенные из них описываются ниже.

Шина SCSI

Процессор

Кэш-

память

Шина памяти

Шина

PCI

Сканер

SCSI

Диск
SCSI

_| Контроллер

SCSI

Основная

память

Контроллер

видеоизображения

Контроллер

сети

Шина PCI

Звуковая

карта

Контроллер

принтера

Мост

ISA

Модем

Шина ISA

Рис. 2.25. Обычный современный персональный компьютер с шиной PCI и шиной ISA.

Модем и звуковая карта — устройства ISA; SCSI-контроллер — устройство PCI

Терминалы

Терминалы компьютера состоят из двух частей: клавиатуры и монитора. В боль-

ших компьютерах эти части соединены в одно устройство и связаны с самим ком-

пьютером обычным или телефонным проводом. В авиакомпаниях, банках и раз-

личных отраслях промышленности, где работают с такими компьютерами, эти
устройства до сих пор широко применимы. В мире персональных компьютеров
клавиатура и монитор — независимые устройства. Но и в том и в другом случае
технология этих двух частей одна и та же.

1

 Необходимо отметить, что в настоящее время существующие стандарты на персональный компьютер

уже не содержат шину ISA. —

 Примеч. научн. ред.

1 1 2 Глава 2. Организация компьютерных систем

Клавиатуры

Существует несколько видов клавиатур. У первых компьютеров IBM PC под каж-

дой клавишей находился переключатель, который давал ощутимую отдачу и щел-
кал при нажатии клавиши. Сегодня у самых дешевых клавиатур при нажатии кла-

виш происходит лишь механический контакт с печатной платой. У клавиатур

получше между клавишами и печатной платой кладется слой из эластичного мате-
риала (особого типа резины). Под каждой клавишей находится небольшой купол,
который прогибается в случае нажатия клавиши. Проводящий материал, нахо-

дящийся внутри купола, замыкает схему. У некоторых клавиатур под каждой кла-

вишей находится магнит, который при нажатии клавиши проходит через катушку

и таким образом вызывает электрический ток. Также используются другие мето-
ды, как механические, так и электромагнитные.

В персональных компьютерах при нажатии клавиши происходит процедура

прерывания и запускается программа обработки прерывания (эта программа яв-
ляется частью операционной системы). Программа обработки прерывания считы-
вает регистр аппаратного обеспечения в контроллер клавиатуры, чтобы получить
номер клавиши, которая была нажата (от 1 до 102). Когда клавишу отпускают,

происходит второе прерывание. Так, если пользователь нажимает клавишу

 SHIFT,

затем нажимает и отпускает клавишу «М>, а затем отпускает клавишу SHIFT, опе-

рационная система понимает, что ему нужна заглавная, а не строчная буква «М».
Обработка совокупности клавиш SHIFT, CTRL и ALT совершается только программ-
ным обеспечением (сюда же относится известное сочетание клавиш CTRL-ALT-DEL,
которое используется для перезагрузки всех компьютеров IBM PC и их клонов).

Мониторы с электронно-лучевой трубкой

Монитор представляет собой коробку, содержащую

 электронно-лучевую трубку

и ее источники питания. Электронно-лучевая трубка включает в себя электрон-
ную пушку, которая выстреливает пучок электронов на фосфоресцентный экран в
передней части трубки, как показано на рис. 2.26,

 а.

 (Цветные мониторы содержат

три электронные пушки: одну для красного, вторую для зеленого и третью для си-

него цвета.) При горизонтальной развертке пучок электронов (луч) развертывает-
ся по экрану примерно за 50 мкс, образуя почти горизонтальную полосу на экране.

Затем луч совершает горизонтальный обратный ход к левому краю, чтобы начать

следующую развертку. Устройство, которое так, линия за линией, создает изобра-
жение, называется устройством

 растровой развертки.

Горизонтальная развертка контролируется линейно возрастающим напряжени-

ем, которое воздействует на пластины горизонтального отклонения, расположен-
ные слева и справа от электронной пушки. Вертикальная развертка контролирует-
ся более медленно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины
вертикального отклонения, расположенные под и над электронной пушкой. По-
сле определенного количества разверток (от 400 до 1000) напряжение на пластинах

вертикального и горизонтального отклонения спадает, и луч возвращается в верх-
ний левый угол экрана. Полное изображение возобновляется от 30 до 60 раз в се-

кунду

1

. Движения луча показаны на рис. 2.26,

 6.

 Хотя мы описали работу элект-

1

 Современные электрон но-лучевые мониторы могут иметь рефреш (частоту обновления изображения,

вычерчиваемого лучом на экране) до 150 и более раз в секунду. Эта частота, естественно, обратно про-

порционально зависит от количества строк, из которых строится изображение. —

 Примеч. научн. ред.