Лекция "Система ввода-вывода: структура с одним общим интерфейсом"

билет 31 тема 1  Система ввода­вывода: структура с одним общим  интерфейсом Устройства ввода и вывода принтер, жесткий диск, накопитель на гибких магнитных дисках, CD­ ROM,   модем   и   другие,   принадлежат   к   стандартной   комплектации   системы,   и   их   использование является само собой разумеющимся. Передача информации с периферийного устройства (ПУ) в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство ­ операцией вывода. Связь   устройств   ЭВМ   друг   с   другом   осуществляется   с   помощью   средств   сопряжения   ­ интерфейсов. Интерфейс  представляет   собой   совокупность   физических   средств   сопряжения   (коннекторов, разъемов),   линий   и   шин,   сигналов,   электронных   схем   и   алгоритмов,   предназначенную   для осуществления обмена информацией между устройствами. От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность вычислительной машины. При обмене между ПУ и ЭВМ используются унифицированные форматы данных. Преобразование унифицированных   форматов   данных   в   индивидуальные,   приспособленные   для   отдельных   ПУ, производится в самих ПУ. Унификации также подвергают все компоненты интерфейса, а также формат и набор команд процессора для операций ввода­вывода. Унификация распространяется на семейство моделей ЭВМ. Для обеспечения параллельной работы процессора и периферийных устройств схемы управления вводом­выводом отделяют от процессора. Выполнение общих функций возлагают на общие для групп периферийного оборудования унифицированные устройства ­ контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры ввода­вывода. BIOS (Basic Input Output System)  ­ базовая система ввода­вывода. Содержит набор основных функций управления стандартными внешними устройствами PC.  Назначение ROM BIOS состоит в выполнении наиболее простых и универсальных услуг, связанных с осуществлением ввода­вывода. Обозначение ROM расшифровывается как Read Only Memory (память только для чтения, ПЗУ), т.е.   информация   может   только   считываться,   но   не   может   быть   записана.   На   самом   деле,   все современные ROM BIOS позволяют в режиме обновления BIOS стирать и переписывать (обновлять) информацию BIOS. ROM BIOS выполняет три основные функции: ∙ предоставляет операционной системе аппаратные драйверы и осуществляет сопряжение между материнской платой и остальным PC; ∙ содержит тест проверки системы, так называемый POST (Power On Self Test), который проверяет при включении PC все важнейшие компоненты; содержит программу установки параметров BIOS и аппаратной конфигурации PC – CMOS ∙ Setup. Можно   выделить   два   характерных   принципа   построения   систем   ввода­вывода:   ЭВМ   с   одним общим интерфейсом и ЭВМ с множеством интерфейсов и процессорами (каналами) ввода­вывода. Принципы организации обменов данными  Структура с одним общим интерфейсом Структура  с   одним   общим   интерфейсом  предполагает   наличие   общей   шины,   к   которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ: процессор, оперативная и постоянная память и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присоединенных к ней модулей. Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор   выступает   как   один   из   модулей   системы   (рис. 8).БУ – блок управления Периферийные   устройства   подсоединяются   к   общей шине   с   помощью   блоковуправления   периферийными устройствами (контроллеров), осуществляющих согласование форматов данных периферийных устройств с форматом, принятым для передачи по общей шине.Если в периферийном устройстве операции ввода­вывода производятся для отдельных байтов или слов,   то   используется   программно­управляемая   передача   данных   через   процессор   и   под   его управлением. Конструкция контроллера при этом сильно упрощается. Для   периферийных   устройств   с   поблочной   передачей   данных   (ЗУ   на   дисках,   лентах   и   др.) применяется прямой доступ к памяти (ПДП) и контроллеры ПДП. При   общем   интерфейсе   аппаратура   управления   вводом­выводом   рассредоточена   по   отдельным модулям ЭВМ. Процессор при этом не полностью освобождается от управления операциями ввода­ вывода. Более того, на все время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с памятью блокированной.  Структура с каналами ввода­вывода  с   процессорами   Структура   системы применяется   в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода­вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом­выводом на основе применения программно­управляемых процессоров (каналов)   ввода­вывода.   Обмен   информацией   между   памятью   и   периферийным   устройством осуществляется через канал ввода­вывода (рис. 9).   ввода­вывода  (каналами)   Каналы ввода­вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода­вывода. В   вычислительной   машине   с   каналами   ввода­вывода форматы   передаваемых   данных   неоднородны,   поэтому необходимо   несколько специализированных интерфейсов. использовать   ЭВМ   в   интерфейсы). Можно   выделить   четыре   типа   интерфейсов:   интерфейс основной   памяти,   интерфейс   процессор­каналы,   интерфейсы ввода­вывода,   интерфейсы   периферийных   устройств   (малые Через интерфейс основной памяти производится обмен информацией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами – с другой. Интерфейс процессор­каналы предназначается для передачи информации между процессорами и каналами ввода­вывода. Через   интерфейс   ввода­вывода   происходит   обмен   информацией   между   каналами   и   блоками управления периферийных устройств. Основные параметры интерфейсов  Интерфейсы характеризуются следующими параметрами: 1.   Пропускная   способность  интерфейса   ­   это   количество   информации,   которое   может   быть передано через интерфейс в единицу времени (имеет диапазон от десятков байт до сотен мегабайт). 2.   Максимальная   частота   передачи   информационных   сигналов  через   интерфейс   лежит   в диапазоне от десятков герц до тысяч мегагерц. 3. Максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами имеет диапазон от десятков сантиметров до нескольких километров при использовании оптоволоконных линий. 4. Динамические параметры  интерфейса – время передачи отдельного слова и блока данных с учетом  продолжительности   процедур   подготовки   и   завершения   передачи.   Эти   параметры   особенно важны для систем реального времени. 5. Общее число линий (проводов) в интерфейсе. 6. Информационная ширина  интерфейса ­ число бит данных, передаваемых параллельно через интерфейс. Различные интерфейсы имеют ширину 1, 8, 16, 32, 64, 128 или 256 бит. 7.   Связность  интерфейса:   интерфейс   может   быть   односвязным,   когда   существует   лишь единственный   путь   передачи   информации   между   парой   устройств   машины,   и   многосвязным, позволяющим   устройствам   обмениваться   информацией   по   нескольким   независимым   путям. Многосвязность   интерфейсов   требует   дополнительной   аппаратуры,   но   повышает   надежность   и живучесть   вычислительной   машины,   обеспечивает   возможность   автоматической   реконфигурации вычислительного комплекса при выходе из строя отдельных устройств.  Параллельная и последовательная передача данныхПараллельная и последовательная передачи данных хотя и служат одной цели ­ обмену данными и связи между периферией (устройствами ввода/вывода) и модулем обработки данных (материнской платой), но используют различные методы и принципы обмена информацией. Параллельная связь означает, что биты передаются все одновременно (параллельно). При этом здесь принципиальным становится понятие разрядности шины. В   отличие   от   последовательной   передачи   данных   параллельная   передача,   как   правило, однонаправленная, т.е. данные передаются только в одном направлении.  В отличие от параллельной передачи данных отдельные биты пересылаются (или принимаются) последовательно друг за другом, при этом возможен обмен данными в двух направлениях. Уровень напряжения последовательного интерфейса изменяется в пределах от –25 В до +25 В. Благодаря этому относительно   высокому   значению   напряжения   повышается   помехоустойчивость,   и   данные   могут передаваться без потерь по кабелю длиной 50 м и более. Поскольку   данные   обычно   представлены   на   шине   микропроцессора   в   параллельной   форме (байтами,   словами),   их   последовательный   ввод­вывод   оказывается   несколько   сложным.   Для последовательного ввода потребуются средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода   необходимы   средства   преобразования   параллельных   данных,   представленных   на   шине,   в последовательные   выходные   данные.   В   первом   случае   преобразование   осуществляется   регистром сдвига   с   последовательным   входом   и   параллельным   выходом,   а   во   втором   –   регистром   сдвига   с параллельным входом и последовательным выходом.  Методы передачи информации между устройствами ЭВМ Последовательные данные передаются в синхронном или асинхронном режимах.  При синхронном методе передающее устройство устанавливает одно из двух возможных состояний сигнала (0 или 1) и поддерживает его в течение строго определенного интервала времени, по истечении которого состояние сигнала на передающей стороне может быть изменено. Конечно, второй режим сложнее, но у него есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации. Существуют специальные микросхемы ввода и вывода, решающие проблемы преобразования,  описанные выше. Обычно при передаче сигналов на короткие расстояния (десятки сантиметров) более  быстрым оказывается синхронный метод, а при передаче на большие расстояния ­ асинхронный. При   передаче   параллельного   кода   по   параллельным   линиям   сигналы   поступят   в   приемное устройство   в   разное   время из­за   разброса   параметров   цепей,   формирующих   сигналы,   и   линий интерфейса (так называемая проблема состязаний). Используется   два   метода   передачи   параллельного   кода   по   нескольким   линиям:  со стробированием, применяющим синхронную передачу, и  с квитированием, в котором используется асинхронная передача. При   передаче  со   стробированием кроме   N   информационных   линий   используется   линия «готовность данных»: вначале устанавливаются значения передаваемых сигналов на информационных линиях, затем на линии готовности устанавливается уровень 1. Через строго определенный период времени (превышающий максимальное время передачи) сигнал готовности сбрасывается в 0, процесс передачи завершается, после чего можно изменить сигналы на информационных линиях и передавать следующую порцию данных. При   передаче  с   квитированием  кроме   N   информационных   линий   и   линии   готовности   данных используется линия подтверждения приема: вначале устанавливаются значения передаваемых сигналов Время передачи сигнала, которое складывается из времени передачи сигнала по линии и времени распознавания и фиксации сигнала в регистре приемного устройства, зависит от параметров линии связи и характеристик приемного и передающего устройств. Период синхронной передачи информации должен   превышать   максимальное   время   передачи   сигнала.   Он   задается   специальными   тактовыми импульсами, как правило, поступающими от тактового генератора с кварцевым резонатором. 9­2    При  асинхронной  передаче   передающее   устройство   устанавливает   соответствующее передаваемому коду состояние сигнала на информационной линии, а принимающее устройство после приема сигнала информирует об этом передающее устройство изменением состояния сигнала на линии подтверждения   приема.   Передающее   устройство,   получив   сигнал   подтверждения,   снимает передаваемый сигнал.на информационных  линиях, затем на линии готовности устанавливается  уровень 1. Приняв фронт сигнала готовности, приемное устройство считывает  сигналы с информационных линий и посылает передатчику сигнал подтверждения приема. Приняв фронт сигнала подтверждения, передатчик снимает сигнал готовности, после чего может приступать к передаче новой порции данных.