ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.12.2021
Просмотров: 1154
Скачиваний: 6
Внешние устройства 3 9 1
равляющими сигналами, а также информацией о состоянии участников обмена.
Внешнее устройство, подключенное к МВБ, обычно называют
периферийным ус-
тройством
(ПУ). Все множество ПУ можно свести к трем категориям [200]:
- для общения с пользователем;
- для общения с ВМ;
- для связи с удаленными устройствами.
Примерами первой группы служат видеотерминалы и принтеры. Ко второй
группе причисляются внешние запоминающие устройства (магнитные и оптичес-
кие диски, магнитные ленты и т, п.), датчики и исполнительные механизмы. От-
метим двойственную роль внешних ЗУ, которые, с одной стороны, представляют
собой часть памяти ВМ, а с другой — являются внешними устройствами. Нако-
нец, устройства третьей категории позволяют ВМ обмениваться информацией
с удаленными объектами, которые могут относиться к двум первым группам. В роли
удаленных объектов могут выступать также другие ВМ.
Рис. 8.3. Структура внешнего устройства
Обобщенная структура ВУ показана на рис. 8.3. Интерфейс с МВВ реализует-
ся в виде сигналов управления, состояния и данных.
Данные
представлены сово-
купностью битов, которые должны быть переданы в модуль ввода/вывода или по-
лучены из него.
Сигналы управления
определяют функцию, которая должна быть
выполнена внешним устройством. Это может быть стандартная для всех устройств
функция — посылка данных в МВВ или получение данных из него, либо специ-
фичная для данного типа ВУ функция, такая, например, как позиционирование
головки магнитного диска или перемотка магнитной ленты.
Сигналы состояния
характеризуют текущее состояние устройства, в частности включено ли ВУ и го-
тово ли оно к передаче данных.
Логика управления — это схемы, координирующие работу ВУ в соответствии
с направлением передачи данных. Задачей
преобразователя
является трансфор-
мация информационных сигналов, имеющих самую различную физическую при-
роду, в электрические сигналы, а также обратное преобразование. Обычно совместно
с преобразователем используется
буферная память,
обеспечивающая временное
хранение данных, пересылаемых между МВВ и ВУ.
3 9 2 Глава 8. Системы ввода/вывода
Модули ввода/вывода
Функции модуля
Модуль ввода/вывода в составе вычислительной машины отвечает за управление
одним или несколькими ВУ и за обмен данными между этими устройствами с од-
ной стороны, и основной памятью или регистрами ЦП — с другой. Основные функ-
ции МВБ можно сформулировать следующим образом:
-
локализация данных;
- управление и синхронизация;
-
обмен информацией;
-
буферизация данных;
- обнаружение ошибок.
Локализация данных
Под
локализацией данных
будем понимать возможность обращения к одному из
ВУ, а также адресации данных на нем.
Адрес ВУ обычно содержится в адресной части команд ввода/вывода. Как уже
отмечалось, в состав СВВ могут входить несколько модулей ввода/вывода. Каж-
дому модулю назначается определенный диапазон адресов, независимо от того,
является ли пространство адресов совмещенным или раздельным. Старшие раз-
ряды в адресах диапазона, выделенного модулю, обычно одинаковы и обеспечива-
ют выбор одного из МВБ в рамках системы ввода/вывода. Младшие разряды адреса
представляют собой уникальные адреса регистров данного модуля или подклю-
ченных к нему ВУ.
Одной из функций МВВ является проверка вхождения поступившего по шине
адреса в выделенный данному модулю диапазон адресов. При положительном от-
вете модуль должен обеспечить дешифровку поступившего адреса и перенаправ-
ление информации к адресуемому объекту или от него.
Для простейших внешних устройств (клавиатура, принтер и т. п.) адрес ВУ
однозначно определяет и расположение данных на этом устройстве. Для более
сложных ВУ, таких как внешние запоминающие устройства, информация о место-
нахождении данных требует детализации. Так, для ЗУ на магнитной ленте необ-
ходимо указать номер записи, а для магнитного диска — номер цилиндра, номер
сектора и т. п. Эта часть адресной информации передается в МВВ не по шине ад-
реса, а в виде служебных сообщений, пересылаемых по шине данных. Обработка
такой информации в модуле, естественно, сложнее, чем выбор нужного регистра
или ВУ. В частности, она может требовать от МВВ организации процедуры поис-
ка на носителе информации.
Управление и синхронизация
Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВВ должен коор-
динировать перемещение данных между внутренними ресурсами ВМ и внешними
устройствами. При разработке системы управления и синхронизации модуля вво-
да/вывода необходимо учитывать целый ряд факторов.
Модули ввода/вывода 3 9 3
Прежде всего, нужно принимать во внимание, что ЦП может взаимодейство-
вать одновременно с несколькими ВУ, причем быстродействие подключаемых
к МВБ внешних устройств варьируется в очень широких пределах — от несколь-
ких байтов в секунду в терминалах до десятков миллионов байтов в секунду при
обмене с магнитными дисками. Если в системе используются шины, каждое взаи-
модействие между ЦП и
МВБ
включает в себя одну или несколько процедур ар-
битража.
В отличие от обмена с памятью процессы ввода/вывода и работа ЦП протека-
ют не синхронно. Очередная порция информация может быть выдана на устрой-
ство вывода лишь тогда, когда это устройство готово их принять. Аналогично, ввод
от устройства ввода допустим только в случае доступности информации на уст-
ройстве ввода. Несинхронный характер процессов ввода/вывода предполагает об-
мен сигналами, аналогичный процедуре «рукопожатия» (handshake), описанной
в главе 4. Для двухпроводной системы синхронизации эта процедура состоит из
четырех шагов, которые применительно к операции вывода можно описать следу-
ющим образом:
1. Центральный процессор с помощью сигнала ДД - 1 (данные достоверны) изве-
2. Приняв данные, устройство вывода сообщает процессору об их получении сиг-
налом ДП = 1 (данные приняты).
3. Получив подтверждение, ЦП обнуляет сигнал ДД и снимает данные с шины,
после чего может выставить на шину новые данные.
4. Обнаружив, что ДД = 0, устройство вывода, в свою очередь, устанавливает в ну-
левое состояние сигнал ДП, после чего оно готово для обработки принятых дан-
ных все время до получения очередного сигнала ДД = 1.
Описанную процедуру иллюстрирует рис. 8.4 (в скобках указаны номера ша-
гов).
Рис. 8.4. временная диаграмма процедуры «рукопожатия»
Таким образом, модуль ввода/вывода обязан снабдить центральный процессор
информацией о собственной готовности к обмену, а также о готовности подклю-
ченных к модулю ВУ. Помимо этого, процессор должен обладать оперативными
сведениями и об иных происходящих в СВВ событиях.
Обмен информацией
Основной функцией
МВВ
является обеспечение обмена информацией. Со сторо-
ны «большого» интерфейса — это обмен с ЦП, а со стороны «малого» интерфей-
са — обмен с ВУ. В таком плане требования к МВВ непосредственно проистекают
3 9 4
Глава 8. Системы ввода/вывода
из типовой последовательности операций, выполняемых процессором при вводе/
выводе. ,
1. Выбор требуемого внешнего устройства.
2. Определение состояния МВБ и ВУ.
3. Выдача указания модулю ввода/вывода на подключение нужного ВУ к про-
цессору.
4. Получение от МВБ подтверждения о подключении затребованного ВУ к про-
цессору.
5. Распознавание сигнала готовности устройства к передаче очередной порции
информации.
6. Прием (передача) порции информации.
7. Циклическое повторение двух предшествующих пунктов до завершения пере-
дачи информации в полном объеме.
8. Логическое отсоединение ВУ от процессора.
С учетом описанной процедуры функция
обмена информацией
с ЦП включает
в себя:
-
дешифровку команды:
МВБ получает команды из ЦП в виде сигналов на шине
управления;
- пересылку данных
между МВБ и ЦП по шине данных;
- извещение о состоянии:
из-за того, что ВУ — медленные устройства, важно знать
состояние модуля ввода/вывода. Так, в момент получения запроса на пересыл-
ку данных в центральный процессор МВБ может быть не готов выполнить эту
пересылку, поскольку еще не завершил предыдущую команду. Этот факт дол-
жен быть сообщен процессору с помощью соответствующего сигнала. Возмож-
ны также сигналы, уведомляющие о возникших ошибках;
- распознавание адреса;
МВБ обязан распознавать адрес каждого ВУ, которым
он управляет.
Наряду с обеспечением обмена с процессором МВВ должен выполнять функ-
цию обмена информацией с ВУ, Такой обмен также включает в себя передачу дан-
ных, команд и информации о состоянии.
Буферизация
Важной задачей модуля ввода/вывода является буферизация данных, необходи-
мость которой иллюстрирует табл. 8.1 [120].
Таблица 8.1
. Примеры устройств ввода/вывода, упорядоченные по режиму работы, субъекту
и скорости передачи данных
Модули ввода/вывода 3 9 S
Несмотря на различия в скорости обмена информацией для разных ВУ, все они
в этом плане значительно отстают от ЦП и памяти. Такое различие компенсирует-
ся за счет буферизации. При выводе информации на ВУ данные пересылаются из
основной памяти в МВБ с большой скоростью. В модуле эти данные буферизиру-
ются и затем направляются в ВУ со скоростью, свойственной последнему. При
вводе из ВУ данные буферизируются так, чтобы не заставлять память работать
в режиме медленной передачи. Таким образом, МВБ должен обладать способнос-
Обнаружение ошибок
Еще одной из важнейших функций МВБ является обнаружение ошибок, возника-
ющих в процессе ввода/вывода. Центральный процессор следует оповещать о каж-
дом случае обнаружения ошибки. Причинами возникновения последних бывают
самые разнообразные факторы, которые в первом приближении можно свести
к следующим группам:
в воздействие внешней среды;
-
старение элементной базы;
-
системное программное обеспечение;
- пользовательское программное обеспечение.
Из наиболее "активных", факторов окружения ВМ следует выделить:
- загрязнение и влагу;
-
повышенную или пониженную температуру окружающей среды;
-электромагнитное облучение;
- скачки напряжения питания.
Степень влияния каждого из этих факторов зависит от типа и конструкции МВБ
и ВУ, Так, к загрязнению наиболее чувствительны оптические и механические
элементы ВУ, в то время как работа электронных компонентов СВВ в большей
степени зависит от температуры внешней среды, электромагнитного воздействия
и стабильности питающего напряжения.