«САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Факультет информационных технологий и электроники Кафедра вычислительной и информационной техники В.А. Павлов Периферийные устройства ЭВМ. Часть 1. Состав и ...»

1

САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Факультет информационных технологий и электроники

Кафедра вычислительной и информационной техники

В.А. Павлов

Периферийные устройства ЭВМ. Часть 1.

Состав и структура систем ввода-вывода. Интерфейсы систем ввода-вывода.

Логическая организация ввода-вывода. Система ввода-вывода аналоговых сигналов и связи с объектами управления. Система ввода-вывода речевой информации. Системы и устройства ввода-вывода текстовой и графической информации.

Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 220100 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети Саров СарФТИ 2001г.

УДК 681. ББК 32. П Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор кафедры МО ЭВМ Нижегородского государственного университета Ю.Л. Кетков;

к-т техн. наук, доцент кафедры "Компьютерные системы и сети" МГТУ им. Н.Э. Баумана И.В. Баскаков;

кафедра "Вычислительная техника" Нижегородского государственного технического университета Павлов Виктор Александрович П12. Периферийные устройства ЭВМ Учебное пособие: Часть 1. СарФТИ, Саров, 2001. -231 с.: ил.

В учебном пособии рассмотрены основные проблемы общения ЭВМ и объектов внешнего мира, роль и место периферийных устройств (ПУ) в вычислительных системах. Большое внимание уделено вопросам организации совместной работы центральных и периферийных устройств, системам аппаратных интерфейсов. Достаточно подробно представлены интерфейсы персональных компьютеров класса IBM PC, принципы организации систем ввода-вывода аналоговых сигналов, а также речевой, текстовой и графической информации.

©В.А. Павлов, 2001г.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ............... ВВЕДЕНИЕ................. 1. СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА... 1.1. Переменный состав оборудования и классы ЭВМ....... 1.2. Классификация и характеристики периферийных устройств... 1.3. Функции системы ввода-вывода и ее структура....... 1.4. Канал ввода-вывода............... Контрольные вопросы............... 2. ИНТЕРФЕЙСЫ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА....... 2.1. Понятие интерфейса и его характеристики......... 2.2. Организация интерфейсов............. 2.3. Среда интерфейса............... 2.4. Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ........... 2.5. Системные интерфейсы мини- и микроЭВМ....... 2.6 Шины расширения ввода/вывода РС-совместимых ПЭВМ..... 2.6.1. Шины ISA, EISA и PC-104............. 2.6.2. Шина МСА................. 2.6.3. Локальная шина VLB............. 2.6.4. Шина РСI................. 2.6.5. Магистральный интерфейс AGP........... 2.6.6. Шины PCMCIA (PC Card)............. Контрольные вопросы............... 2.7. Малые интерфейсы периферийных устройств....... 2.7.1. Малые интерфейсы мини- и микроЭВМ......... 2.7.2. Внешние интерфейсы персональных компьютеров..... 2.7.2.1. Параллельный интерфейс: LPT-порт......... 2.7.2.1.3. Расширения параллельного порта......... 2.7.2.2. Последовательные интерфейсы........... 2.7.2.2.1. Последовательный порт (СОМ-порт)......... 2.7.2.7.1. Интерфейс ST-506 (ST-412) и ESDI......... 2.7.2.8.1. SCSI кабели, разъемы, терминаторы......... 2.7.2.10.1. Структура и взаимодействие устройств шины..... 2.7.2.10.2. Синонимы и дополнения стандарта 1ЕЕЕ1394..... 2.7.2.11. Последовательная шина ACCESS.Bus и интерфейс I2C..... 2.7.2.12. Интерфейс JTAG (Boundary Scan)......... 3. ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА. 3.1. Логическая организация систем ввода-вывода ЭВМ общего назначения. 3.2. Логическая организация СВВ в мини- и микроЭВМ....... 3.2.1.Способы организации обмена в мини ЭВМ, микроЭВМ и ПЭВМ...

4. СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ И

4.1. Выбор параметров аналого-цифрового преобразования..... 4.2. Компоненты системы ввода-вывода аналоговых сигналов..... 4.3. Структура и управление системой ввода-вывода аналоговых сигналов. 5.1. Механизмы формирования и восприятия речи человеком..... 5.3. Формирование речевых сообщений и устройства вывода речи...

6. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА ТЕКСТОВОЙ

6.1. Кодирование текстовой информации......... 6.3. Устройства ввода с промежуточного носителя....... 6.4. Устройства автоматического ввода текстовой информации... 6.4.1. Принцип автоматического чтения текстовой информации... 6.4.1.1. Осмотр и восприятие изображения......... 6.4.1.2. Выделение существенных признаков и составление описания. 6.4.1.5. Методы и алгоритмы распознавания символов в ЧА... 6.5. Устройства регистрации текстовой информации..... 6.5.1. Классификация и основные характеристики ПчУ..... 6.5.3. Способы формирования изображения символов..... 6.5.4.1.Структура последовательного ПчУ......... 6.5.4.2. Печатающие устройства последовательного типа для РС... 6.5.5.2. Система приказов параллельного ПчУ....... 6.5.6. Устройства постраничной печати для РС....... 6.5.6.1. Краткая история развития лазерного принтера..... 6.5.6.2. Лазерные технологии печати........... 6.5.6.3. Основные характеристики лазерных принтеров..... 6.5.6.3.5. Дополнительные возможности......... 6.5.6.4. Развитие технологии лазерной печати....... 6.6. Устройства отображения текстовой информации..... 6.6.1. Классификация устройств отображения....... 6.6.1.1. Основные типы индикаторов........... 6.6.1.2. Физические принципы получения видимого изображения... 6.6.2. Управление формированием символов на экране..... 6.6.2.1. Управление индикаторами, выполненными в виде блока 6.6.2.2. Управление индикаторами со сканированием..... 6.6.2.2.1. Структурная схема дисплея на основе ЭЛТ..... 6.6.2.2.2. Операции редактирования...........

7. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ

7.1. Классификация и структурные схемы графических дисплеев... 7.2. Графические дисплеи с произвольным сканированием... 7.2.2.3. Математические основы векторной машинной графики... 7.3 Графические дисплеи растрового типа......... 7.3.2.Основы растровых преобразований......... 7.3.3.Требования к компонентам растровых ГД....... 7.4. Средства для диалогового взаимодействия....... 7.5. Методы и средства ввода графической информации..... 7.5.1. Автоматический ввод графической информации..... 7.5.2. Методы полуавтоматического ввода графической информации. 7.5.3. Современные устройства ввода графической информации... 7.5.3.1.1. Черно-белые и цветные сканеры......... 7.5.3.1.6. Программное обеспечение........... 7.6. Методы и средства регистрации графической информации... 7.6.1. Классификация средств регистрации......... 7.6.2. Обобщенная структурная схема системы вывода графической

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Периферийные устройства являются самой внешней, периферийной частью электронных вычислительных машин (ЭВМ) и входят в состав их систем ввода-вывода (СВВ).

Учебные материалы построены так, что в них в той или иной мере нашли отражение все основные компоненты СВВ, включая и периферийные устройства (ПУ). Акцент сделан на особенности построения СВВ персональных компьютеров класса IBM PC.

Материалы разбиты на две части.

В первой части рассмотрены состав, структура и логическая организация СВВ, интерфейсы, используемые для взаимодействия ее компонентов, системы ввода-вывода аналоговых сигналов, связи с объектами управления, ввода-вывода речевой информации а также устройства и СВВ текстовой и графической информации.

Во второй части рассмотрены системы внешней памяти, а так же вопросы, связанные с организацией работы ПУ в вычислительных комплексах, системах и сетях. Достаточно большое внимание уделено таким специфическим устройствам, как модемы и сетевые принтеры.

За основу учебных материалов было взято учебное пособие: Ларионов А,М., Горнец Н.Н.

Периферийные устройства в вычислительных системах: Учебное пособие для вузов по спец.

«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». –М.: Высшая школа, 1991г. Основные изменения и дополнения материала касаются в основном современных персональных компьютеров и устройств, используемых совместно с ними.

Учебные материалы являются расширенной версией курса лекций «Интерфейсы периферийных устройств», читаемого автором в Саровском физико-техническом институте (СарФТИ) в рамках специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и других родственных специальностей и предназначены для обеспечения студентов СарФТИ основной и дополнительной информацией по этому курсу.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Передача различных сведений, полученных в результате накопления знаний и опыта, между отдельными людьми и от поколения к поколению лежит в основе развития человека и общества в целом.

В течение длительного времени передача сведений, или информации, осуществлялась посредством устной речи, графики, печатных или рукописных текстов. Обработка информации производилась исключительно мозгом человека, а ее восприятие и выдача — его периферийными системами: органами зрения, слуха, голосовым трактом и т.д., при этом изучение способов представления и обработки информации мозгом носило лишь познавательный характер. Появление ЭВМ нарушило монополию человека на обработку информации и потребовало создания средств для загрузки и выгрузки информации в обрабатывающую часть машины; при этом способы ее представления и обработки в машине существенно отличаются от тех, которые используются мозгом человека и другими, внешними по отношению к обрабатывающей части машины, объектами.

Взаимодействие ЭВМ с внешним миром. Общие понятия. Обрабатывающую (центральную) часть ЭВМ упрощенно можно представить совокупностью арифметико-логического устройства (АЛУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и устройства управления (УУ). АЛУ и УУ образуют центральный процессор (ЦП), предназначенный, в первую очередь, для решения прикладных задач пользователя, хотя он выполняет и множество других функций, связанных с управлением вычислительным процессом, контролем и т.п. Информация в ЦП представляется в виде текстов, закодированных символами; каждый символ в свою очередь кодируется фиксированной последовательностью единиц и нулей; им соответствуют высокие и низкие потенциалы в определенных точках схем машины. Решение задач в ЦП осуществляется выполнением последовательности команд, предписывающих порядок передачи сигналов между его определенными узлами. Эта последовательность команд, или программа, составлена в соответствии с определенными условностями, понятными машине, т.е. на внутреннем машинном языке.

Внешний мир по отношению к ЭВМ представляет собой совокупность всех источников и потребителей информации. Компонентами внешнего мира являются человек, объекты управления, другие ЭВМ, а также носители внешней памяти (гибкие и жесткие магнитные диски, оптические и магнито-опртческие диски, магнитные ленты и т.п.). Внешний мир характеризуется большим разнообразием объектов и различными формами представления информации: графической, текстовой, речевой (для человека), в виде аналоговых или дискретных сигналов (для систем управления). По аналогии с человеком, устройства ЭВМ, предназначенные для восприятия и выдачи информации объектам внешнего мира, называются периферийными. Этот термин появился в 60-х годах, когда наиболее дорогая по тем временам центральная часть машины размещалась в отдельной стойке, к которой посредством кабелей подключались различные периферийные устройства (ПУ). В настоящее время многие ПУ выполняются в одном корпусе с центральной частью машины и принадлежность к ПУ теперь определяется только выполняемыми функциями по приему и выдаче объектам внешнего мира различных сведений.

Сведения, представленные в формализованном виде, часто называют данными; формализованное представление их осуществляется посредством квантов информации. Под квантом информации будем понимать некоторый ее объем, наиболее удобный при описании объекта (или совокупности объектов), а также при передаче, хранении и обработке. Кванты информации различны для внешнего мира и ЦП. В вычислительной технике, помимо указанного выше толкования термина «данные», принято и более узкое, служащее для различения обрабатываемой (исходные, промежуточные данные, конечные результаты) и управляющей (команды, адреса) информации, которая предназначена для организации вычислительного процесса. Обмен данными между различными компонентами ЭВМ, а также между компонентами ЭВМ и объектами внешнего мира выполняется посредством сообщений. Сообщением будем называть произвольное количество информации, с явно или неявно указанными началом и концом, предназначенное для передачи. В дальнейшем будем рассматривать в основном дискретные сообщения.

В них данные представлены конечным числом квантов информации в виде последовательности символов из некоторого набора, называемого алфавитом. Алфавит может включать цифры, буквы, различные специальные символы.

Внешний мир и центральная часть ЭВМ обмениваются сообщениями посредством системы вводавывода (СВВ). Под СВВ следует понимать совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих получение данных от источников во внешнем мире и размещение их в ОЗУ, т.е. ввод данных, а также извлечение данных из определенных областей ОЗУ и передачу их потребителям информации во внешнем мире, т.е. вывод данных. В процессе обмена СВВ выполняет преобразование внешних для ЭВМ конкретных объектов мира в описания образов абстрактного пространства при вводе и обратные преобразования при выводе. Если нет необходимости указывать направление передачи сообщений между ЭВМ и объектами внешнего мира, то используют термин обмен. Преобразование исходного языка внешнего мира в машинный язык представляет самостоятельную задачу, не включаемую в число функций СВВ.

При обмене информацией можно выделить процессы преобразования способа ее представления (речи в текст, текста в графическое изображение и т.п.); кодирования (замены алфавитно-цифровых символов их кодовыми эквивалентами); преобразования формы представления кодированной информации (например, комбинации пробивок на перфокарте в комбинацию высоких и низких электрических потенциалов); передачи сигналов между ОЗУ и средствами СВВ. Функции автономного преобразования форм и способов представления данных и их кодирования выполняются периферийными устройствами, являющимися компонентами СВВ. Если ПУ содержат значительные собственные аппаратно-программные средства предварительной обработки информации, то они называются интеллектуальными. К числу неинтеллектуальных ПУ можно отнести устройства ввода с перфоленты, содержащие электромеханические узлы и узлы считывания пробивок, клавиатуру с микропроцессорным управлением для кодирования символов; к числу интеллектуальных — синтезаторы речи, системы внешней памяти, графические дисплейные станции, современные модемы принтеры и т.п.

В передаче сообщений и управлении обменом участвуют также и другие компоненты СВВ. К ним можно отнести систему внутренних и внешних аппаратных интерфейсов, контроллеры и адаптеры.

Под интерфейсом, в общем случае, понимают совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и (или) программ. К средствам аппаратных интерфейсов относится система линий связи, по которым передаются сигналы, разъемные соединения и схемы управления, реализуемые, как правило, на базе специализированных вычислительных устройствах - контроллерах; к правилам можно отнести протокол взаимодействия, порядок разводки сигналов по разъемам, параметры сигналов, поддерживаемые методы связи (синхронный или асинхронный), поддерживаемые режимы обмена (дуплексный, полудуплексный, симплексный) и т.п. Под протоколом понимают совокупность правил и соглашений, определяющих работу функциональных устройств (контроллеров, адаптеров, периферийных устройств и т.п.) и процедур в процессе связи (взаимодействия).

Под адаптером понимают устройство сопряжения между собой устройств с различными способами представления данных либо устройств, использующих различные виды унифицированных сопряжений (интерфейсов). Адаптеры, как правило, выполняются на базе универсальных или специализированных контроллеров и поддерживают соответствующие интерфейсы на своих входах и выходах.

Преобразование способов представления и кодирование данных могут выполняться в ПУ либо полностью автоматически, либо с участием человека-оператора. Во втором случае на оператора возлагают наиболее трудно поддающиеся автоматизации функции по преобразованию способов представления информации. В недалеком прошлом с помощью автономно работающих устройств, входящих в систему подготовки данных (СПД), оператор кодировал информацию и переносил ее на промежуточный носитель (перфоленту, перфокарту, магнитную ленту, гибкий магнитный диск и т.п.).

На промежуточном носителе информация представлялась в закодированной форме, но способ представления, например, зоны противоположной намагниченности на поверхности гибкого магнитного диска, не позволял непосредственно использовать ее для обработки в ЭВМ, т.е. требовался еще одно преобразование. Это преобразование осуществлялось ПУ СВВ непосредственно в процессе выполнения операции ввода. Наличие промежуточного носителя позволяло осуществлять повторный ввод, а также обмен данными между различными ЭВМ на уровне этого носителя. Для этого носители стандартизировали. Стандартизировались геометрические размеры, расположение и размеры кодирующих элементов, допуски на них и коды. С появлением персональных ЭВМ и развитием сетевых технологий как таковые устройства подготовки данных на промежуточных носителях исчезли, но сами промежуточные носители, такие как гибкие магнитные диски, магнитные ленты, и новые их разновидности - оптические диски, флеш-накопители и т. п. широко используются в системах внешней памяти, для обмена информацией между машинами и для поставки программного обеспечения.

Кванты информации и кодирование. Кванты информации внешнего мира обычно связывают с удобством описания каких-либо объектов при решении задачи пользователя. Рассмотрим совокупность объектов, сведения о которых подлежат обработке. Назовем атрибутом некоторое свойство или параметр объекта. Так, при расчете стипендии атрибутами объекта (студента) являются фамилия, результаты сдачи сессии, курс, на котором учится студент; при управлении производственным процессом — величина сигнала от датчика; атрибутами графического образа — координаты принадлежащей ему точки и т.д.

Каждый атрибут характеризуется именем и значением. Имя определяет, какой обработке должно подвергаться значение атрибута. Значение представляется в виде поля (FD), которое логически неделимо, хотя физически обработка поля может выполняться поэлементно. Обычно поле образуется последовательностью символов, кодируемых в виде байтов (В). Байт образует неделимую для обработки совокупность двоичных разрядов, так как содержит код одного символа.

Отдельные поля объединяют в запись (R), которая характеризует целиком весь объект для решения заданной задачи:

R={FD1, FD2,..., FDn}, где n — число подлежащих обработке атрибутов.

Одно из полей каждой записи Ri служит для того, чтобы можно было различить отдельные записи и найти нужную. Это поле называют полем ключа. В качестве ключа можно использовать фамилию студента, название измеряемого параметра, название графического образа и т.д. Чтобы найти нужную запись, необходимо задать значение ключа. Задаваемое значение сравнивается с содержимым полей ключа для всех записей последовательно. В искомой записи эти значения совпадают.

Однотипные записи, т.е. содержащие одноименные поля для совокупности объектов, объединяют в файл (FL) FL={R1, R2,..., Rm} где m—число объектов.

Поле, запись и файл являются основными информационными квантами пользователя (внешнего мира).

Основным информационным квантом в ЭВМ является машинное слово (W), т.е. совокупность бит, которые могут быть обработаны аппаратными средствами машины одновременно под управлением одной команды. Длина машинного слова зависит только от конкретной реализации ЭВМ и определяется необходимой точностью вычислений, быстродействием, ориентацией на числовую или текстовую обработку и т.п. В ЭВМ длина машинного слова обычно выбирается кратной целому числу байт, что позволяет сравнительно просто организовать переход от кванта пользователя (например, поля) к машинному слову; при обработке текстов. ЦП может работать с отдельными байтами (символами).

Минимальным информационным квантом машины является бит, соответствующий одной двоичной цифре. Название «бит» получено в результате сокращения английских слов «двоичная цифра» (binary digit = bit).

Таким образом, внешний мир в качестве информационных квантов использует файлы, записи, поля и символы, а ЦП — слова, байты, биты.

В процессе обмена с ПУ передача осуществляется сообщениями-блоками постоянной или переменной длины (блок данных, блок данных порта, блок записей и т.п.). Блок характеризует особенности размещения информации на носителе (например, объем одного сектора на магнитном диске - 512 байт). Помимо информации пользователя он может содержать дополнительную информацию, используемую компонентами машины для управления. Наиболее часто блок содержит одну запись, хотя возможны переходящие записи, занимающие несколько блоков, возможно также размещение нескольких записей в одном блоке. Файлы обычно сохраняют на носителях внешних запоминающих устройств (ВЗУ), т.е. на магнитных лентах (МЛ) или на магнитных дисках (МД). Полный объем информации на МЛ или МД, называемый томом, характеризует возможности системы по обмену файлами без вмешательства человека для смены носителя.

Любой квант пользователя образуется совокупностью байтов; каждый байт служит для представления кода символа из заданного набора. Широко распространенный восьмиразрядный байт позволяет кодировать до 256 различных символов. Набор всех символов, с помощью которых может быть составлено произвольное сообщение, называется алфавитом; а полное число символов — его мощностью. При кодировании каждому символу должна быть поставлена в соответствие двоичная кодовая комбинация, отличающая его от всех других символов алфавита. Соответствие символов и двоичных кодовых комбинаций (код) задается с помощью кодовой таблицы. Наиболее распространены двоичный и двоично-десятичный числовые коды и алфавитно-цифровые ДКОИ, КОИ-8, КОИ-7 и др.

Использование того или иного кода определяется классом решаемых задач и особенностями периферийного оборудования.

Классы задач и режимы взаимодействия ЭВМ с внешним миром. Все многообразие задач принято делить на три класса: научно-технические (расчетного характера); информационно-справочного, логического и статистического характера; управления объектами и процессами. Они различаются характеристиками алгоритмов, требуемой точностью расчетов, допустимыми интервалами времени на получение результата, мощностью алфавитов и потребностями ввода-вывода.

Класс научно-технических задач характеризуется весьма сложными алгоритмами, требующими большого количества вычислений и высокой точности. При этом объемы входной (исходные данные и тексты программ) и выходной (результаты расчетов) информации сравнительно невелики — на каждое вводимое в ЭВМ исходное значение приходится десятки и сотни операций обработки. Основными способами представления результатов для этих задач являются текстовый и графический; алфавит входных и выходных сообщений ограничен.

Класс задач информационно-справочного, логического и статистического характера иногда называют задачами обработки данных. Для задач этого класса характерны сравнительно короткие алгоритмы обработки и значительные объемы входных и выходных сообщений — на каждое вводимое значение приходится обычно не свыше десятка операций обработки. Кванты информации обычно имеют переменную длину, а алфавит входных и выходных сообщений содержит большое число символов.

Задачи обработки данных требуют разнообразных ПУ для ввода-вывода информации в виде текста, графиков и речи, а также внешней памяти для хранения больших объемов справочной информации.

Классы научно-технических задач и обработки данных можно отнести к задачам с неограниченным допустимым временем решения, для которых интервал времени на получение результата определяется только экономическими или психофизиологическими факторами.

Класс задач управления объектами и процессами, решается в режиме реального времени, т.е. за предопределенный интервал времени или к заданному сроку, определяемому характером процесса управления; они требуют быстрой реакции на изменение его параметров. Задачи этого класса обычно характеризуются сравнительно простыми алгоритмами и низкой точностью вычислений, информация во внешнем мире для них наиболее часто представляется в виде аналоговых сигналов, ввод и вывод которых осуществляются устройствами сопряжения с объектом (УСО).

Контрольные вопросы.

1. Что относится к центральной части ЭВМ?

2. Чем представляется информация в ЦП?

3. Что относится к внешнему миру по отношении к ЭВМ? Каковы его характеристики?

4. Каково назначение периферийных устройств?

5. Что такое квант информации и сообщение?

7. Перечислить основные процессы, реализуемые при обмене информацией.

8. Какова роль ПУ в реализации процессов обмена информацией?

9. Что такое интеллектуальное ПУ?

10. Что такое интерфейс?

11. Что относится к средствам и правилам аппаратного интерфейса* 12. Что такое контроллер и что такое адаптер?

13. Что такое поле, запись и файл?

14. Что относится к квантам информации ЭВМ?

15. Что такое мощность алфавита?

16. Каковы классы задач, решаемых на ЭВМ?

17. Каковы характеристики взаимодействия с ЭВМ при решении различных классов задач?

1. СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА

Набор функций СВВ практически не зависит от типа ЭВМ, однако их конкретное распределение между различными аппаратными и программными компонентами СВВ в значительной мере определяется назначением ЭВМ, условиями и режимами использования, ее архитектурой, характеристиками производительности, стоимости и т.д. Это распределение функций при выполнении операций вводавывода называется структурной организацией СВВ.

1.1. Переменный состав оборудования и классы ЭВМ Современные ЭВМ строятся как системы с переменным составом оборудования, что позволяет на одной и той же машине решать, хотя и с разной степенью эффективности, задачи различных классов.

Система с переменным составом оборудования строится из некоторого набора устройств-модулей, включающего ЦП, модули ОЗУ; различные компоненты-модули СВВ. Изменение конфигурации ЭВМ обеспечивается за счет кабельных соединений и модификации программ управления аппаратными модулями. Концепция переменного состава оборудования требует стандартизации форматов сообщений, алгоритмов управления обменом между аппаратными модулями, способов добавления новых программных модулей. Такая стандартизация определяет архитектуру системы (семейства или ряда) ЭВМ, которая допускает в определенных пределах изменение количества и состава модулей (в первую очередь ПУ) и обеспечивает при этом информационную и программную совместимость. (Под архитектурой вычислительной системы при этом понимают общую логическую организацию цифровой вычислительной системы, определяющую процесс обработки данных, методы кодирования, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения). Информационная совместимость всех ЭВМ одной системы достигается едиными способами кодирования информации и единым форматом данных. Программная совместимость означает возможность выполнения программ (без каких-либо изменений) в различных конфигурациях ЭВМ, что достигается единой системой команд и одинаковой организацией операционных систем. Аппаратная совместимость модулей обеспечивается унифицированной системой сопряжения — интерфейсами различных уровней — и едиными способами управления.

Реализация ЭВМ в виде системы с переменным составом оборудования позволяет расширить номенклатуру ПУ и упростить общение пользователя с машиной при решении научных задач за счет расширения алфавита сообщений и представления результатов в виде таблиц с комментариями и графиков; при решении задач управления становится возможным отображать и документировать ход процесса управления.

Система ЭВМ объединяет различные модели, ориентированные на решение преимущественно одного класса задач, хотя эти модели и различаются по производительности. В моделях ЭВМ различных систем могут использоваться ПУ одного функционального назначения, но существенно отличающиеся по своим характеристикам. С точки зрения ориентации машин на тот или иной класс задач, организации СВВ, состава и характеристик основных ПУ можно выделить следующие классы ЭВМ.

Персональные ЭВМ (ПЭВМ) предназначены для работы с одним пользователем в режиме индивидуального доступа. Этот класс охватывает широкий круг ПЭВМ от профессиональных до домашнего пользования. СВВ персональных ЭВМ отличаются сравнительной простотой организации, наличием ограниченного числа дешевых ПУ, среди которых наиболее распространены клавиатуры и манипуляторы для ввода информации, дешевые устройства отображения для вывода, ВЗУ на гибких магнитных дисках (ГМД) и жестких магнитных дисках типа "Винчестер", а также последовательные устройства печати (ПчУ). Большинство современных ПЭВМ оборудуются средствами подключения к локальным сетям; они ориентированы на непрофессионального пользователя, поэтому одно из основных требований к СВВ заключается в организации наиболее естественного общения — в форме диалога, посредством графики, а в будущем - посредством и речи.

Управляющие микроЭВМ ориентированы на работу в реальном масштабе времени по управлению объектами и технологическими процессами. СВВ управляющих микроЭВМ должна обеспечивать быструю реакцию на изменения в состоянии управляемых объектов. Характерными ПУ для ЭВМ этого класса являются цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи и УВВ дискретных сигналов, входящие в состав УСО; кроме того, управляющие микроЭВМ часто объединяют с другими ЭВМ в многомашинные вычислительные комплексы (ВК) и системы (ВС) посредством различных устройств сопряжения, включая локальные сети. Конструктивно микроЭВМ часто выполняют в виде модулей, встраиваемых в системы управления.

Мини ЭВМ вначале предназначались для управления сложными объектами и технологическими процессами, однако с ростом вычислительных возможностей основными областями использования мини ЭВМ стали многопользовательские системы для автоматизации проектно-конструкторских работ, разработки программного обеспечения МП систем и т.п. СВВ мини ЭВМ сохранили черты управляющих машин, однако состав ПУ значительно расширился. Мини ЭВМ могли работать как в режиме реального времени, при этом в качестве основных ПУ использовались УСО, так и в диалоговом режиме коллективного доступа, при этом наиболее распространенными ПУ являлись дисплеи, ПчУ, ВЗУ большой емкости, а также устройства сопряжения с каналами связи для организации дистанционного доступа.

Наиболее характерными примерами мини ЭВМ являлись машины семейств СМ (например, СМ-2М), СМСМ-1420) и СМ-1700.

ЭВМ общего назначения предназначались для решения широкого круга задач научного, инженерного и экономического характера. На базе ЭВМ этого класса создавались вычислительные центры коллективного пользования. СВВ в ЭВМ общего назначения были ориентированы на работу в пакетном режиме и в режиме коллективного доступа; в состав СВВ входили разнообразные сложные ПУ высокой производительности и устройства сопряжения с каналами связи. При проектировании СВВ этого класса машин одним из основных требований являлось обеспечение сбалансированности СВВ и средств обработки. Под сбалансированностью понимают такое соотношение между производительностью ЦП и пропускной способностью СВВ, при котором объем перерабатываемой за единицу времени информации соответствует объему введенной и выведенной информации за тот же интервал времени. При условии полной сбалансированности ЦП и СВВ работают без простоев, чем достигается наилучшее отношение производительности к стоимости оборудования. Примерами ЭВМ этого класса могут служить машины ЕС ЭВМ и комплексы «Эльбрус».

СуперЭВМ по существу представляют собой высокопроизводительные проблемно-ориентированные ВС, предназначенные для выполнения достаточно узкого класса задач. В зависимости от класса решаемых задач суперЭВМ, быстродействие которых в настоящее время достигает сотен и тысяч миллиардов операций в секунду, могут комплектоваться различными, порой очень сложными и дорогими ПУ. При создании суперЭВМ основной задачей является достижение максимального быстродействия.

Чтобы разгрузить центральную часть суперЭВМ от участия в выполнении операций ввода-вывода, часто организацию и управление этими операциями возлагают на дополнительные ЭВМ.

1.2. Классификация и характеристики периферийных устройств Периферийные устройства можно классифицировать по способу представления преобразуемой информации, по функциональному назначению и направлению обмена, по быстродействию и характеру цикла, по способу использования одним или несколькими пользователями.

По способу представления информации во внешнем мире и назначению все ПУ можно разделить на устройства ввода-вывода речевой, графической и текстовой информации, ввода-вывода аналоговых сигналов, внешней памяти и системы межмашинных связей. В зависимости от направления обмена все ПУ делят на устройства ввода (УВв), вывода (УВыв) и двустороннего обмена. В отдельную функциональную группу было принято выделять устройства подготовки данных (УПД), входившие в состав СПД и непосредственно не связанные с ЭВМ. Каждая из перечисленных функциональных групп включает в себя широкую номенклатуру ПУ, различающихся характеристиками, параметрами и принципами действия.

В состав СВВ помимо ПУ входят устройства управления обменом. По своему функциональному назначению они могут быть подразделены на группы процессоров ввода-вывода (ПВВ) и контроллеров (устройств управления ПУ).

На структурную организацию СВВ наибольшее влияние оказывают быстродействие ПУ и способ его использования. Возможны два способа: ПУ предоставляется в индивидуальное пользование одному пользователю на все время решения задачи либо в коллективное пользование нескольким пользователям.

Если ЭВМ выполняет несколько задач (в режиме разделения времени), результаты которых выдаются на одно ПчУ, то печать результатов от различных задач не должна перемежаться. Такое ПУ может быть отнесено к устройствам коллективного пользования, закрепляемым на время выполнения за одной программой. В отличие от ПчУ дисплей каждого пользователя отдается ему на весь период работы с машиной: такие ПУ являются устройствами индивидуального пользования. Для ПУ коллективного пользования должны быть предусмотрены специальные меры, исключающие одновременно использование их несколькими программами.

У ПУ можно выделить следующие характерные этапы работы:

— подготовка кванта информации, — передача подготовленного кванта между регистром данных (РгД) ПУ и соответствующим регистром в центральной части СВВ;

— ожидание (для некоторых типов ПУ), в течение которого действия в ПУ приостанавливаются до получения сигналов разрешения от ЦУ.

Переход от этапа к этапу осуществляется под воздействием сигналов управления в определенной последовательности, повторяющиеся элементы которой образуют полный цикл работы ПУ. В общем случае полный цикл ПУ, состоит из этапов подготовки, ожидания и передачи. Особенности цикла ПУ и его длительность оказывают непосредственное влияние на организацию СВВ в целом и на способы подключения конкретного ПУ.

С точки зрения длительности цикла все ПУ можно разделить на следующие группы:

— низкоскоростные, быстродействие которых составляет менее 100 симв/с. В эту группу входят УВВ непосредственной связи с пользователем — клавиатуры, консоли и т.п.. Для ПУ этой группы характерным квантом информации является символ, кодируемый в виде байта. Быстродействие таких ПУ в основном ограничивается возможностями человека—оператора;

— среднескоростные, быстродействие которых может достигать 1000 симв/с и выше. К ним относят ПчУ различных типов, графопостроители, УСО, УО, аппаратуру передачи данных (АПД) и т.д., а также различные интеллектуальные ПУ. За один цикл может быть подготовлен квант информации из одного байта или группы байт. В первом случае ПУ называют последовательным, во втором — параллельным (например, последовательное и параллельное ПчУ);

— высокоскоростные, быстродействие которых может достигать 1 Мбайт/с. Эта граница, как и указанные выше, условна и изменяется с развитием элементной базы и техники ПУ. Наиболее характерными представителями этой группы ПУ являются ВЗУ на МД, сложные системы графического взаимодействия с пользователем. Характерной особенностью ПУ этого типа является обмен достаточно большими квантами информации — блоками, состоящими из множества байт. Первоначальная подготовка блока требует значительных затрат времени, а подготовка байта в пределах блока выполняется достаточно быстро;

— сверхбыстродействующие устройства со скоростью передачи выше 1 Мбайт/с. К числу таких ПУ можно отнести ВЗУ на ЖМД типа "Винчестер".

В соответствии с характером цикла все ПУ делятся на группы синхронных и асинхронных устройств.

Для синхронных ПУ цикл постоянен и обычно включает в себя только два этапа: подготовки и передачи. Для асинхронных ПУ цикл имеет переменную длительность, причем непостоянство длительности полного цикла ПУ объясняется непостоянством времени подготовки или ожидания.

В любом обмене участвуют два устройства — передатчик и приемник; моменты времени передачи и приема (с учетом задержки на линиях связи) должны совпадать. В некоторых случаях для обеспечения этого условия в ПУ предусматривают буферное ЗУ небольшого объема, позволяющее в некоторой степени произвольно задерживать момент приема кванта информации относительно момента его выдачи. Такие ПУ называют буферизованными.

Таким образом, в соответствии с характером цикла ПУ и наличием в нем буфера, а также величиной подготавливаемых квантов информации все ПУ можно подразделить на синхронные и асинхронные, буферизованные и не буферизованные, с байтовой или блоковой организацией.

1.3. Функции системы ввода-вывода и ее структура.

Задача СВВ (ее внутренней части) состоит в организации и управлении процессом передачи информации от ПУ в ОП машины при вводе и в обратном направлении при выводе, т.е. в выполнении операций ввода-вывода.

Основные функции СВВ и способы их реализации. С точки зрения СВВ любое ПУ представляет собой генератор или потребитель данных (ГенД) квантов данных [Di], который может запускаться в работу сигналами [Сi] от управляющих компонентов СВВ и сообщать им о своем состоянии сигналами [Si], как показано на рис 1.1.

Рис 1.1 Взаимодействие СВВ с ОП и ПУ.

Длительность интервалов формирования последовательных квантов информации в таком генераторе и кванты данных существенно отличаются от длительности интервалов обработки и квантов в центральных устройствах машины. Поэтому основные функции СВВ можно сформулировать следующим образом:

— преобразование квантов (или форматов) информации, принимаемых от ПУ при вводе, в форматы ЦП и ОП; обратное преобразование - при выводе;

— определение места в ОП, где должен быть размещен сформированный машинный квант при вводе или откуда должен быть выбран при выводе, т.е. формирование текущего адреса ОП. Таким образом, средства СВВ могут рассматриваться как генератор адресов ГенА оперативной памяти [Аi], формируемых синхронно для каждого генерируемого в ПУ кванта данных [Di]. ГенД и ГенА связаны с регистрами данных РгД и адреса РгА в ОП машины;

—формирование управляющих сигналов {Сi} для работы ПУ в различных режимах, задание типа выполняемой операции в ПУ и т.д.;

—получение и обработка сигналов {Si}, характеризующих состояние ПУ, возможность выполнения им тех или иных действий;

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

—синхронизация процессов в ЦУ и ПУ, согласование скоростей их работы.

Простейшая реализация перечисленных функций возможна при центрально-синхронном принципе управления. При этом синхронизация всех устройств ЭВМ осуществляется от единого центрального УУ, а все передачи данных от ПУ или к нему производятся через АЛУ. Структура ЭВМ с центральносинхронным принципом управления показана на рис. 1.2. Обрабатывающая (центральная) часть машины заштрихована, сплошными линиями показаны связи для передачи данных и адресов; штриховыми — связи для управляющих сигналов и команд.

Рис 1.2 Центрально-синхронное управление При центрально-синхронном управлении все операции обработки и ввода-вывода должны выполняться последовательно. В системе команд машины должны быть предусмотрены специальные команды операций ввода-вывода. Одна выполняемая команда служит для передачи одного кванта информации; при необходимости передачи массива информации должны быть организованы циклические программы. Поскольку в операциях ввода-вывода участвуют устройства с существенно различным быстродействием, то длительность единичной операции Твв определяется быстродействием самого медленного устройства (т.е. ПУ) и существенно превышает длительность операции обработки Та.

Длительность решения задачи для такой ЭВМ непосредственно зависит от быстродействия используемых ПУ и доли операций ввода-вывода. Центрально-синхронный принцип управления требует меньших аппаратных затрат; он был характерен для первых ЭВМ, используемых в научных расчетах. Увеличение доли операций ввода-вывода при переходе к задачам обработки данных делало этот принцип практически непригодным. Кроме того, при использовании этого принципа невозможно построение систем с переменным составом оборудования.

Рис 1.3 Временная диаграмма параллельной работы ЦП и ПУ.

Улучшить производительность ЭВМ можно за счет организации параллельного выполнения операций обработки и ввода-вывода. При наличии средств автономного управления работой ПУ непосредственное участие центральных устройств в обмене информацией с ПУ может ограничиваться тактом передачи ПУ, который, как указывалось выше, значительно короче такта подготовки. Кроме того, при операциях обработки лишь часть времени выполнения команды в АЛУ уходит на обращение к ОЗУ, поэтому выделение специальных средств управления и доступа к памяти со стороны ПУ позволяет существенно повысить производительность ЭВМ.

Однако при этом должен быть реализован асинхронный принцип управления, обеспечивающий независимость работы ПУ, ОЗУ и АЛУ. На рис. 1.3. приведен пример временной диаграммы параллельной работы ЦП и ПУ. ПУ начинает работу по команде запуска, после чего работает автономно, подготавливая квант информации. ЦП продолжает выполнение текущей программы. Подготовив квант информации, ПУ посылает сигнал запроса процессору и ЦП приостанавливает выполнение текущей программы для получения подготовленного кванта. По окончании работы ПУ посылает процессору сигнал, подтверждающий завершение операции. Параллельная работа ПУ и ЦП осуществляется в тактах подготовки кванта информации в ПУ. Во время тактов передачи центральные и периферийные устройства используются совместно, поэтому в эти моменты для организации обмена необходимо синхронизировать их работу. С этой целью используются прерывания и приостановки, рассмотренные ниже. При параллельном выполнении операций обработки и ввода—вывода длительность решения задачи тем меньше, чем выше коэффициент (Кп) перекрытия, или совпадения во времени, операций обработки и ввода-вывода, характеризующий, какую долю цикла ПУ процессор и ПУ могут работать независимо. При отсутствии перекрытия, т. е. при последовательном выполнении операций, Кп= 0; при полном Рис.1.4 Структура ЭВМ с асинхронным параллельным выполнением операций обработки и вводавывода перекрытии, когда операции обработки и ввода-вывода выполняются совершенно независимо и не оказывают влияния друг на друга, Кп=1.

В реальных ВС в зависимости от степени и способа реализации условий, необходимых для параллельной работы центральных и периферийных устройств, этот коэффициент может принимать любые значения в интервале (0,1). Для увеличения Кп необходимо выполнить следующие условия:

—управление ПУ при подготовке квантов информации должно осуществляться автономными схемами, работающими независимо от ЦУ;

—в ЭВМ должны быть предусмотрены средства и связи для передачи квантов информации между ПУ и ОП, минуя АЛУ, так называемые средства прямого доступа к памяти;

—должны быть предусмотрены средства для синхронизации параллельного выполнения асинхронных процессов обработки в центральных устройствах и подготовки квантов информации в ПУ;

—в течение всего процесса ввода-вывода ЦУ должны быть загружены операциями обработки, чтобы причиной простоев, возникающих в них, не была нехватка исходных данных или команд.

Структура ЭВМ с асинхронным параллельным выполнением операций обработки и ввода-вывода показана на рис. 1.4. В этой структуре предусмотрены дополнительные тракты передачи данных между УВв, УВыв и ЗУ, тем самым обмен происходит, минуя АЛУ. Управление работой ПУ, формирование текущих адресов и запросов к памяти осуществляется посредством специальных схем управления (канала ввода-вывода — КВВ), взаимодействие, которых с ЦП реализуется через систему прерываний и приостановок.

Средства совмещения операций обработки и ввода-вывода.

Основными средствами, позволяющими совместить операции обработки и ввода-вывода, являются прерывания и приостановки. Эти средства обеспечивают возможность взаимодействия асинхронно протекающих процессов. Помимо средств прерывания и приостановок для параллельного выполнения операции широко используются различные виды буферизации.

Прерывание — процесс переключения ЦП с одной программы на другую по внешнему сигналу с сохранением информации для последующего возобновления прерванной программы. Необходимость в прерывании возникает в том случае, если некоторое внешнее по отношению к ЦП событие требует от него немедленной реакции. Реакция на такое событие (например, ПУ завершило подготовку кванта Рис.1.5 Процесс прерывания информации) состоит в том, чтобы выполнить специально предусмотренную для данного события программу. Процесс прерывания иллюстрируется на рис. 1.5.

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, называемом регистром запросов прерываний (РгЗП).

Состояние РгЗП анализируется аппаратными или программными средствами в определенные моменты выполнения программы или команды. В простейшем случае после выполнения каждой команды (текущей прерываемой программы) 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 (з ); собственно выполнения прерывающей программы (пп ); восстановления состояния прерванной программы и возврата к ее выполнению (в ). Интервалы з и д 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 существенно снизить возможность параллельного выполнения операций обработки и ввода-вывода, а в некоторых случаях сделать его невозможным.

В реальных СВВ существует несколько внешних источников запросов прерывания; кроме того, сигналы прерывания формируются и другими схемами, например, схемами контроля ЦП, системы питания, памяти и т.п., при возникновении событий, время которых невозможно предсказать. При наличии нескольких источников запросов прерывания устанавливается определенный порядок их обслуживания путем назначения приоритетов. Запросы прерываний в зависимости от назначенного приоритета направляются на различные разряды РгЗП, опрос которых производится в строго определенной последовательности.

Номер разряда РгЗП не только определяет приоритет запроса, но и позволяет найти соответствующую данному запросу программу обслуживания прерывания. Поступивший запрос на прерывание может прервать только менее приоритетную программу. Таким образом, время задержки в обнаружении запроса определяется не только временем реакции системы прерываний, но и числом ожидающих обработки запросов более высокого приоритета.

Помимо рассмотренной системы прерываний широко распространена так называемая векторная система. Информация о месте возникновения запроса в ней передается от источника прерывания в виде адреса ячейки памяти, содержимое которой определяет выполнение конкретной программы обслуживания. Кроме адреса перехода к программе обслуживания прерывания эта ячейка (или несколько последовательных ячеек) может хранить дополнительную управляющую информацию. Содержимое ячеек принято называть вектором прерываний. Векторный способ организации прерываний распространен в мини— и микроЭВМ.

Систему прерываний характеризуют способом опроса РгЗП, общим числом входов от внешних источников; числом уровней прерывания, по которым сгруппированы определенные источники;

глубиной прерывания, т.е. максимальным числом программ, которые могут быть последовательно прерваны друг другом; системой приоритетов; организацией переходов к следующей программе. Все эти характеристики системы прерываний оказывают существенное влияние и на характеристики СВВ.

Приостановка — процесс, при котором средства управления, работающие автономно от ЦП, задерживают его 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 рис. 1.6.

Рис.1.6 Процесс приостановки работы ЦП.

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 до момента t2 освобождения ОЗУ. Во время приостановки, максимальная длительность которой составляет Тц, ЦП никаких действий не выполняет. Приостановки, называемые также занятием цикла памяти, широко используются при организации любых СВВ. Они обеспечивают высокую степень совмещения операций обработки и ввода-вывода, которая тем выше, чем меньше длительность цикла памяти Тц относительно длительности команды процессора Тк. Однако возможности приостановок ограничены непосредственной передачей данных при обращении к ОЗУ; поэтому для выполнения какихлибо действий по управлению СВВ со стороны ЦП необходимы прерывания.

При работе нескольких автономно функционирующих устройств очень важно, чтобы любое устройство получило ответ на свой запрос за достаточно короткое время. Для исключения случаев бесконечного ожидания в СВВ широко применяют принцип «таймаута», т.е. принцип, согласно которому ответ от запрашиваемого устройства должен быть получен за наперед заданный интервал времени. При неполучении ответа за установленный интервал запрос снимается, а запрашиваемая система (или устройство) считается неспособной выполнить запрос. Принцип таймаута используется на всех уровнях СВВ.

1.4. 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. Таким образом, КВВ является функциональным элементом СВВ. Он 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 отличается широким разнообразием, однако независимо от нее функции подключения ПУ к КВВ выполняются специальными аппаратными средствами (средствами интерфейса) в соответствии с определенными правилами обмена сигналами.

Основные функции КВВ. Их можно разбить на три группы.

В первую группу входят функции по установлению логической связи между ПУ и ОП, т.е. по образованию «канала» для передачи данных. В СВВ обычно имеется множество ПУ, подключенных через общую для них систему связи. При наличии автономных средств управления ПУ могут работать параллельно в течение такта подготовки информации, но передача информации через систему связи в каждый момент времени производится между ОП и только одним ПУ. Для исключения возможности одновременной передачи информации от нескольких ПУ в системе связи и должен быть организован «канал». Для этого необходимо среди запросов на обмен выявить наиболее приоритетный; определить для него маршрут передачи данных между ОП и ПУ; проверить работоспособность и готовность к выполнению заданного обмена каждым из компонентов СВВ вдоль выбранного маршрута; в случае, если какой-либо компонент не может принять участия в обмене (выключен или занят другой операцией), то следует выполнить эти же проверки для альтернативного маршрута, а при его отсутствии — сообщить ЦП о невозможности установления «канала»; передать всем участвующим в операции компонентам СВВ необходимую управляющую информацию, например, приказ ПУ выполнить определенные действия по управлению механизмами, подготовке кванта информации и т.п.

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

— определение текущего адреса ячейки памяти для записи или чтения очередного кванта информации, передаваемого по сформированному «каналу»;

— преобразование форматов данных, используемых в ПУ и ОП;

— контроль передаваемых по каналам данных;

— определение особых условий в процессе выполнения операции. К числу таких условий можно отнести завершение передачи определенной порции информации и потребность в дополнительной управляющей информации для каких-либо компонентов СВВ, возникновение ошибки и т.п.

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

— определение момента завершения обмена по сигналу от ПУ или ЦУ;

— определение причины завершения обмена, т.е. завершена ли передача всех необходимых квантов 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.

Перечисленные функции КВВ реализуются различными сочетаниями аппаратных и программных средств.

Программный КВВ. Если все функции управления обменом осуществляются средствами управления интерфейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называют программным. С помощью программного КВВ обеспечивается несовмещенный режим ввода-вывода, при котором управление ПУ и операциями обработки осуществляется последовательно, и совмещенный режим, при котором ПУ имеет автономные схемы управления подготовкой квантов информации, а синхронизация и переключение ЦП на программу управления передачей кванта информации от ПУ выполняется посредством прерываний. Программное управление обменом, или программный КВВ реализуется средствами управления интерфейсом и аппаратурой ЦП, которая используется для управления обменом в течение всей операции ввода-вывода непрерывно (несовмещенный режим) или в некоторые интервалы времени, определяемые ЦУ (совмещенный режим). В свободное от управления обменом время аппаратура ЦП используется для выполнения операции обработки. Программный КВВ характерен для мини- и микроЭВМ при подключении сравнительно медленных УВв и УВыв. Несовмещенный режим используется в сравнительно редких случаях, преимущественно для простейших управляющих микроЭВМ, если число ПУ невелико (обычно 1—2) и эти устройства пассивны, т.е. не могут посылать запросы на обмен. Повышение степени совмещения операций обработки и ввода-вывода связано с организацией прямого доступа к памяти.

Прямой доступ к памяти. Для реализации прямого доступа к памяти в КВВ должны быть предусмотрены специально выделенные аппаратные средства, на которые возлагаются буферизация и преобразование форматов данных; определение текущего адреса для каждого передаваемого в память или из нее слова; определение момента завершения обмена. Остальные функции КВВ по установлению связи и образованию «канала» между ПУ и ОП в начале операции, окончанию операции и проверке состояния компонентов СВВ выполняются либо программным путем с привлечением аппаратуры ЦП, либо дополнительными средствами КВВ. В первом случае, когда управление образованием и «настройкой канала» производится программно, повышение степени совмещения операций обработки и ввода-вывода достигается за счет того, что программная настройка производится только в начале и конце операции, в процессе которой между ПУ и ОП передается несколько квантов информации. Управление передачей каждого кванта не требует вмешательства со стороны ЦП и синхронизируется посредством приостановок.

Этот способ организации КВВ характерен для мини- и микроЭВМ при подключении ВЗУ. Во втором случае функции КВВ выполняются специально выделенной аппаратурой, работающей под управлением собственной программы.

Рис 1.7. Прямой доступ с прямым и косвенным обращением.

Реализованный таким способом КВВ называют процессором ввода-вывода (ПВВ). ПВВ является подчиненным специализированным процессором, работа которого инициируется посредством ЦП. ПВВ используют в высокопроизводительных ЭВМ (общего назначения и суперЭВМ). При прямом доступе к памяти ЦП и ПВВ могут иметь собственные регистры адресов РгА и данных РгД, как показано на рис. 1.7, а. 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, рис. 1.7,б. 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. После завершения команды в ЦП его регистры РгА и РгД свободны; производится захват их со стороны ПВВ, что приводит к приостановке выполнения программы в ЦП, так как в нем временно отсутствуют два регистра. ПВВ освободит эти регистры после завершения цикла передачи кванта информации в ОП.

Основные характеристики КВВ. Принято выделять две характеристики:

— номинальную пропускную способность Уквв, 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;

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

Однако в реальных условиях совместной работы центральная часть ЭВМ и СВВ оказывают значительное влияние друг на друга. Пропускная способность КВВ снижается относительно номинальной, снижается и производительность ЦП, что объясняется неполным перекрытием операций обработки и ввода-вывода. Одним из важных параметров, характеризующих способность КВВ работать параллельно с ЦП, является коэффициент снижения эффективной производительности, или коэффициент работоспособности R программы, который показывает долю времени, затрачиваемого ЦП на программу обработки при параллельном выполнении операций в СВВ. Коэффициент R зависит от способа организации СВВ, числа параллельно работающих ПУ и быстродействия каждого из них.

Некоторые КВВ обладают способностью обслуживать несколько ПУ на основе разделения времени.

При этом их программные и аппаратные средства используются поочередно каждым ПУ. При таком режиме, который называют мультиплексным, должны соблюдаться следующие условия:

1. Период поступления квантов информации от любого ПУ должен быть больше периода обслуживания, в противном случае возможна потеря информации.

2. Суммарная загрузка канала, не должна превышать его пропускной способности.

Второе условие является следствием выполнения первого условия совместно для всех N одновременно работающих ПУ. Все работающие ПУ обладают различными характеристиками быстродействия, а время обслуживания их запросов в КВВ зависит от наличия других абонентов ОП и способов организации СВВ. Поэтому задача определения нагрузочной способности КВВ достаточно сложна и часто решается только с помощью имитационных моделей ВС.

Перечисленные выше функции управления обменом, таким образом, могут выполняться посредством СВВ, имеющих различную физическую структуру, т.е. различную совокупность аппаратных и программных средств и связей между ними. Физическая структура СВВ включает в себя ПУ, контроллеры, ПВВ и является иерархической со строгим разграничением функций между уровнями. Передача данных и управляющей информации между уровнями физической структуры СВВ осуществляется через интерфейсы различных рангов. Рассмотрим далее принципы построения интерфейсов и реализуемые ими функции.

Контрольные вопросы 1. Перечислите основные классы ЭВМ и режимы взаимодействия с пользователем. Назовите особенности этих ЭВМ.

2. Перечислите основные условия, выполнение которых необходимо для создания систем с переменным составом оборудования.

3. Назовите критерии классификации ПУ. Приведите примеры ПУ для каждой группы.

4. Какая особенность цикла работы ПУ делает возможным организацию параллельной обработки и ввода-вывода?

5. Перечислите основные функции СВВ. Каким образом формируются адреса ОП при передаче данных между ПУ и ОП?

6. Какие средства необходимы для организации параллельной работы ЦУ и ПУ?

7. В чем суть прерываний и приостановок? Как они реализуются?

8. Дайте определение каналу ввода-вывода? Какими средствами он может быть реализован?

9. Назовите основные характеристики КВВ?

Более подробные сведения по функциям систем ввода-вывода, об- их структурах и каналах вводавывода можно найти в [1,3].

2. ИНТЕРФЕЙСЫ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА

Аппаратные интерфейсы являются одним из основных компонентов вычислительной системы с переменным составом оборудования. Они позволяют осуществлять обмен данными и управляющей информацией между устройствами физической структуры ВС по унифицированным правилам.

Унификация правил взаимодействия обеспечивает возможность подключения к ВС разнообразных ПУ, отличающихся назначением, быстродействием, принципами действия.

2.1. Понятие интерфейса и его характеристики Аппаратным интерфейсом принято называть совокупность правил унифицированного взаимодействия между отдельными устройствами, а также совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации этих правил. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интерфейса; совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению, принято называть шиной интерфейса. Унификация правил взаимодействия направлена на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости; именно унификация и стандартизация лежат в основе построения интерфейсов.

Информационная совместимость достигается за счет единых требований, предъявляемых к структуре и составу линий интерфейса, алгоритмам взаимодействия, способам кодирования и форматам данных, управляющей и адресной информации, временным соотношениям между сигналами.

Электрическая совместимость означает согласованность параметров электрических или оптических сигналов, передаваемых средой интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов; электрическая совместимость определяет требования к нагрузочной способности компонентов и характеристикам используемых линий передачи (длина, допустимая активная и реактивная нагрузка, порядок подключения схем согласования и т.д.).

Конструктивная совместимость означает возможность механического соединения электрических цепей, а иногда и механической замены некоторых блоков; этот вид совместимости обеспечивается стандартизацией соединительных элементов (разъемов, штекеров и т.п.), кабелей, конструкций плат и т.д.

Интерфейсы в СВВ возникают между различными уровнями иерархии физической структуры ВС, поэтому требования, предъявляемые к организации обмена, существенно различаются.

Рис.2.1,а. Система интерфейсов ЕС ЭВМ.

Рис. 2.1,б. Система интерфейсов мини- и микроЭВМ.

Единый стандартный интерфейс не смог бы обеспечить эффективную работу разнообразных устройств, используемых на различных уровнях иерархии СВВ. Этим объясняется наличие системы интерфейсов различных рангов, отличающихся характеристиками и степенью унификации.

В зависимости от требований унификации выделяют:

— физическую реализацию интерфейса, т.е. состав и характеристики линий передачи, конструкцию средств их подключения (например, разъем), вид и характеристики сигналов;

— логическую реализацию интерфейса, т.е. протоколы взаимодействия, или алгоритмы формирования сигналов обмена.

В широком смысле протокол определяет совокупность правил реализации определенной функции, например, обмена, и в этом случае может включать требования, охватывающие интерфейсы нескольких рангов.

Система аппаратных интерфейсов является одной из основных составляющих понятия архитектуры ВС. На рис.2.1 а и б показаны интерфейсы для машин ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, соответственно. В структуре ВС с выделенными ПВВ отметим интерфейсы четырех рангов. Через интерфейс И производится обмен информацией между ОП и процессорами (ЦП или ПВВ); через интерфейс И2 — управляющей информацией между ЦП и ПВВ. Интерфейсы И1 и И2 являются внутренними, отражающими особенности конкретной модели и не унифицируются. Интерфейсы ввода—вывода (И3) обеспечивают обмен между ПВВ и контроллерами ПУ (КПУ); они стандартизуются, что дает возможность использовать одинаковые контроллеры и ПУ в различных моделях ЭВМ одной системы.

Интерфейсы И4 образуют группу так называемых «малых» интерфейсов, посредством которых собственно ПУ сопрягается с контроллером. Степень унификации малых интерфейсов зависит от типа ПУ и контроллера. Так, если контроллер предназначен для управления только одним ПУ и конструктивно объединен вместе с ним, то их интерфейс не унифицируется. Если же контроллер предназначен для одновременного обслуживания множества ПУ, то соответствующий малый интерфейс должен быть стандартизован. При подключении аппаратуры систем передачи данных соответствующие интерфейсы принято называть стыками.

Для мини- и микроЭВМ характерно (рис.2.1,6) наличие интерфейса И0, посредством которого связаны между собой ЦП, ОП и контроллеры. Этот интерфейс принято называть системным (или объединенным), он унифицирован для всего семейства ЭВМ. Контроллеры в мини- и микроЭВМ достаточно просты, так как управление обменом между ПУ и ОП осуществляется в значительной мере программным путем. Это позволяет для семейств ЭВМ с различными интерфейсами И0 использовать одинаковые ПУ (но с разными контроллерами).

Рис.2.1,в. Структура внутренних и внешних интерфейсов ПЭВМ IBM PC/AT.

У персональных ЭВМ также имеется система внутренних и внешних интерфейсов (рис.2.1,в).

Системные шины (S-шины) стандартизируются в рамках систем ПЭВМ и аналогичны по назначению интерфейсам И0 мини- и микроЭВМ (ISA, EISA, MCA и др.). L-шина почти полностью определяется внешним интерфейсом используемого в ПЭВМ микропроцессора. Интерфейс М-шины (шины памяти) сориентирован, как правило, на динамические элементы памяти, скомпонованные в модули (SIMM,DIMM и т.п.) и реализуется на основе контроллера динамической памяти. X-шина (шина периферийных БИС) служит для организации взаимодействия центральной части ПЭВМ с восьмиразрядными программируемыми БИС (большими интегральными схемами) на базе которых реализован ряд подсистем (подсистема аппаратных прерываний, подсистема прямого доступа к памяти, подсистемы часов реального времени и программируемого таймера, контроллер клавиатуры).

С появлением процессора i80486 появилась потребность в резком повышении производительности системной шины и родилась локальная шина VLB. Однако она являлась дополнением к слоту шины ISA/EISA и использовалась в основном лишь для графических карт и дисковых контроллеров. Принципиальная привязка к шине процессора 486 не обеспечила ей долгого существования. С процессорами i80486 появилась и другая скоростная шина — PCI. Она является новым «этажом» в архитектуре PC, к которому подключаются шины типа ISA/EISA. PCI укрепила свои позиции и сейчас является стандартной для компьютеров с процессорами 4, 5 и 6 поколений.

Более того, она используется и в компьютерах «не-РС» — Power PC и некоторых других мощных платформах. Развитием шины PCI, нацеленным на дальнейшее повышение производительности обмена, явился порт AGP, специально предназначенный для подключения мощных графических адаптеров. Местоположение шин в архитектуре современного компьютера иллюстрирует рис. 2.1,г.

Рис. 2.1,г. Шины расширения в архитектуре PC; чипсет - это набор микросхем сверхбольшой степени интеграции (СБИС), которые выполняют функции основного связующего звена между всеми компонентами системной платы ПЭВМ.

Система малых внешних интерфейсов (интерфейсы И4) в ПЭВМ представлена: последовательными интерфейсами COM-портов, клавиатуры, гибких дисков, видеомонитора, универсальной последовательной шины (USB), музыкальных инструментов (MIDI), локальной сети; параллельными интерфейсами LPT-порта и жестких дисков (IDE, SCSI); дискретно-аналоговым интерфейсом игрового порта и другими.

Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

— видом связи, т.е. возможностью вести дуплексную (сообщения могут одновременно передаваться в двух направлениях, что требует двух каналов связи), полудуплексную (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно возможна передача только в одном) или симплексную передачу (сообщения могут передаваться только в одном направлении);

— пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени;

— максимально допустимым расстоянием между устройствами или суммарной длиной линий, соединяющих все устройства интерфейса;

— задержками при организации передачи, которые вызваны необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами.

Конкретные значения этих параметров зависят от множества факторов, в частности от информационной ширины интерфейса, способа синхронизации, среды интерфейса, топологической структуры соединений и организации линии интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.

2.2. Организация интерфейсов Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединением устройств и используемыми линиями.

Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельно—последовательной форме; соответственно интерфейсы принято делить на последовательные и параллельные.

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линий, хотя общее число линий может быть и больше. В этом случае по дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от центрального ядра ЭВМ (интерфейсы ранга И4).

В параллельном интерфейсе передача сообщения выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m линиям; величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых m=8, 16 и 32. (Для внутренних интерфейсов ранга И1 и И высокопроизводительных ЭВМ ширина интерфейса может быть значительно больше).

Разброс параметров среды интерфейса, т.е. его линий и приемо-передающей аппаратуры, вызывает неодинаковые искажения фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям Л1— Лm.

Это означает, что одновременно выданные передатчиком ПРД сигналы на линии Л1—Лm воспринимаются приемником ПРМ не одновременно, а в интервале (tl,t2) (см.рис.2.2,а и б). Такое явление называется перекосом информации. В интервале (tl,t2) приемник может воспринять любую кодовую комбинацию {хi}, i=(l,..m), отличную от комбинации {Ьi}, передаваемой устройством ПРД.

Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней, должен поступить в приемник ПРМ в момент tstr, соответствующий завершению установления на входах ПРМ состояния {Ьi}, т.е. в момент, когда выполняется условие tstr > t2. При этом необходимо передать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л1 — Лm.

tstr > 2max(i,j) = 2max ti, - tj, где ti, tj— самый ранний и самый поздний моменты поступления сигналов в приемник ПРМ по линиям i и j, соответственно при одновременной их выдаче передатчиком; i,j — возможный разброс моментов поступления сигналов по линиям Л1— Лm, а str — по линии строба.

Рис. 2.2. Передача данных в параллельном интерфейсе.

В дальнейшем будет в основном использоваться условная форма временной диаграммы, приведенной на рис.2.2,в, на которой параллельная передача сигналов по линиям Л1—Лm обозначена одной широкой полосой, суженная часть которой соответствует интервалу перекоса (tl.,t2), строб показан в виде сигнала идеальной формы в момент завершения интервала перекоса.

Синхронная и асинхронная передача информации. Взаимодействие передатчика ПРД и приемника ПРМ предполагает согласование во времени моментов передачи и приема квантов информации. При синхронной передаче передатчик ПРД поддерживает постоянные интервалы между очередными квантами информации в процессе передачи всего сообщения или значительной его части.

Приемник ПРМ независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в темпе их выдачи.

Для реализации синхронного режима передачи при последовательном интерфейсе передатчик ПРД в начале сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN, Переход линии интерфейса из состояния «0» в состояние «1» используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике; приемник ПРМ распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает очередной символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс иллюстрируется на рис.2.3,а.

Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые обладают высокой стабильностью частоты. При высоких скоростях передачи используется синхронизация генератора приемника посредством использования самосинхронизирующегося кодирования передаваемых данных (например, манчестерского кода). При нарушении условий синхронизации (процессор не успел подготовить очередные данные для передачи) передатчик должен Рис. 2.3. Синхронная передача.

вставить в последовательность передаваемых байт сообщения дополнительные символы SYN.

Если при последовательной передаче используются дополнительные линии интерфейса, то синхронная передача передатчика и приемника поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми по линиям управления от передатчика к приемнику.

Аналогично с помощью сигнала синхронизации реализуется синхронная передача в параллельном интерфейсе. В качестве сигнала синхронизации используется стробирующий сигнал. Очередной квант информации передается только после того, как предыдущий квант принят, зафиксирован и распознан в приемнике, т.е. по прошествии интервала Tci. Если передача сообщений через интерфейс производится между передатчиком ПРД и одним из нескольких приемников ПРМ, то интервал синхронизации Т устанавливается в расчете на наиболее медленный приемник ПРМ, т.е.

Т > mах Tci Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт «обрамляется» стартовыми и стоповыми сигналами, как показано на рис.2.3,6. Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и служит для запуска генератора в приемнике; стоповый сигнал переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале передачи одного байта.

При параллельном интерфейсе режим асинхронной передачи обычно реализуется по схеме «запрос-ответ», рис.2.4,а. Приемник ПРМ, получив сигнал по линии строба и зафиксировав байт сообщения по линиям Л1—Лm, формирует ответный сигнал-квитанцию RCP, пересылаемый в передатчик ПРД; такую передачу называют передачей с квитированием. Сигнал RCP является разрешением передатчику перевести линии Л1—Лm и линию стробирования в исходное состояние, после чего приемник ПРМ также сбрасывает сигнал RCP. Сброс сигнала RCP служит для передатчика разрешением на передачу очередного байта. Затраты времени на асинхронную передачу Та составляют при ПРД = ПРМ = где Л — время распространения сигнала по линии,— ПРД и ПРМ задержки на формирование ответного сигнала в приемнике и передатчике. Отметим, что линии Л1— Лm используются для передачи квантов сообщения только в течение половины интервала Tа.

Рис. 2.4. Передача по схеме «запрос-ответ».

Для увеличения пропускной способности асинхронного интерфейса можно реализовать «ускоренную» передачу с двумя линиями стробирования (STR1 и STR2) и квитирования (RCP1 и RCP2), рис.2.4,б. Передача информационных сигналов по линиям Л1 - Лm производится почти в два раза чаще; безразличное состояние линий Л1—Лm отсутствует, а выдача квантов информации стробируется разными сигналами STR1 и STR2. Интервал Та между выдачей квантов информации составит Tа = 2 (Л + )).

Квитирование позволяет как бы подстроить темп обмена под каждое конкретное устройство и обеспечить в ряде случаев высокий темп обмена, несмотря на необходимость передачи сигналов в двух направлениях. Кроме того, квитирование обеспечивает высокую надежность передачи и достоверность передаваемых данных. Однако при передаче с квитированием может возникнуть ситуация, при которой процесс обмена прерывается из-за отказа, повлекшего отсутствие сигнала квитанции. Выявление подобных ситуаций основывается на измерении интервала времени, в течение которого передатчик гарантированно должен получить сигнал—квитанцию. Если за этот установленный интервал ТOT сигнал передатчиком не будет получен, то фиксируется отказ. Такой контроль называют контролем по тайм-ауту, а интервал ТOT — интервалом тайм-аута, величина которого должна отвечать условию:

где Tai— возможные интервалы между выдачей квантов информации устройствами при отсутствии отказов.

Соединение устройств и организация линий интерфейса. Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двухточечная схема) или общей для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени.

Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют специальную схему управления интерфейсом, обычно называемую арбитром.

В общем случае могут быть реализованы следующие виды обмена:

· передача от одного устройства только одному другому;

· от одного устройства всем другим (трансляционный обмен);

· от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).

Аппаратные интерфейсы СВВ обычно реализуют только первый вид обмена — между двумя устройствами, причем оба устройства назначаются произвольно или одно из них (обычно центральное, обозначаемое ниже Уц) фиксируется при разработке ВС. Организация интерфейса должна предоставлять возможность устройству:

— занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения; процесс предоставления среды интерфейса одному устройству называется арбитражем и выполняется схемами арбитра;

— обращаться к другому устройству по его адресу; этот процесс называют адресацией;

— идентифицировать устройство, инициирующее обмен; этот процесс неразрывно связан с процедурой арбитража и его основой является последовательный опрос устройств.

Организация адресации и опроса, а также структура схемы управления интерфейсом в значительной степени определяются способом соединения устройств. По этому признаку различают радиальный, магистральный, цепочный и комбинированный интерфейсы.

Радиальный интерфейс. Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1,..., Уn посредством индивидуальных линий, монопольно принадлежащих каждому из них, рис.2.5.

Рис.2.5. Радиальный интерфейс.

Управление интерфейсом полностью сосредоточено в устройстве Уц. При необходимости передать или получить квант информации от Уi по инициативе центрального устройства Уц на регистр РгА заносится адрес устройства Уi и в соответствии с ним переключатель К соединяет линии Лц с линиями Лi. При этом устройства Уц и Уi соединяются между собой, а все остальные устройства отключаются и в обмене участия не принимают. Если инициатива обмена исходит от периферийного устройства Уi, то оно передает сигнал по своей линии запроса (на рисунке показаны штриховыми), который поступает в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство управления интерфейсом УУ последовательно опрашивает разряды регистра РгЗ и посредством переключателя К соединяет линии Лц с соответствующими линями Лi устройства Уi. Порядок опроса разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Уi.

Отличительными особенностями радиального способа подключения являются:

· сосредоточенное в центральном устройстве управление интерфейсом, которое предназначено для согласования моментов приема и передачи сообщения;

· наличие индивидуальных информационных линий, требующих значительных затрат на приемопередающую аппаратуру, и кабелей связи;

· использование минимального числа линий управления;

· возможность сравнительно просто приспособить ПУ к требованиям интерфейса, а также производить физическое подключение и отключение устройств без нарушения непрерывной работы других.

Этот способ характерен для интерфейсов нижних рангов, особенно при последовательном способе передачи информации; ему отдают предпочтение при необходимости подключения к ЭВМ достаточно простых ПУ, например, устройств технологической автоматики и контрольно-измерительной аппаратуры.

Магистральный интерфейс. Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1,..., Уn посредством единой магистрали, используемой ими на основе разделения времени (рис.2.6). Сигнал на любой линии магистрали физически доступен каждому устройству, поэтому для организации обмена между устройством Уц и одним из подчиненных устройств необходимо логически отключить все остальные. Всем устройствам Уi, подключенным к магистрали, присвоены адреса (номера), которые фиксируются в виде собственного адреса устройства на специальных регистрах, размещенных во всех Уi. Адреса устройств одной магистрали не повторяются; запись адреса в регистр устройства Уi производится при подключении его к магистрали.

Предположим, что обмен производится по инициативе устройства Уц. Тогда оно производит цикл адресации, заключающийся в передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали.

Адрес поступает во все устройства Уi, где производится сравнение переданного адреса с собственным адресом. Однако совпадение собственного и запрашиваемого адреса произойдет в одном устройстве. При этом устройство Уi устанавливает сигнал готовности к приему информации от Уц или запрашиваемую информацию для Уц на линии магистрали.

Если обмен в интерфейсе производится по инициативе подчиненного устройства Уi, то вначале исключается возможность использования магистрали любым другим устройством. С этой целью в магистрали предусматривают специальную линию запросов (на рис.2.6 линия ТРБ), на которую любое устройство Уi независимо от других может выставлять сигнал запроса (или требования ТРБ). Сигнал запроса означает для Уц, что на магистрали имеется одно или несколько устройств Уi, запрашивающих обмен. Обнаружив сигнал запроса (эту функцию выполняет схема анализа ТРБ), устройство Уц должно дать разрешение на занятие магистрали только одному из запрашивающих устройств Уi для выполнения передачи данных. Для этого проводится опрос устройств Уi, т.е.

Рис. 2.6. Магистральный интерфейс.

устройство Уц последовательно осуществляет адресацию всех Уi до тех пор, пока не получит подтверждения запроса. Подтверждение запроса может быть передано любым способом, например, по информационной шине, так как в процессе опроса при последовательном переборе адресов каждое из устройств Уi получает разрешение на занятие магистрали. Так, при совпадении собственного и запрашиваемого адресов устройство Yi может выставить на информационную шину свой адрес, подтвердив совпадение, или какой-нибудь код, означающий несовпадение; кроме того, может быть выделена специальная линия для передачи сигнала подтверждения. Устройство Уц, получив подтверждение от Уi, прекращает дальнейшее формирование адресов, т.е. приостанавливает опрос, а устройство Уi, которое в процессе опроса опознало свой адрес и подтвердило совпадение адресов, логически подключается к магистрали для передачи данных.

При магистральном способе подключения управление интерфейсом распределено между центральным устройством Уц, которое содержит схему анализа запросов и средства формирования последовательностей адресов, и подчиненными У1,..., Уn устройствами, которые содержат регистр собственного адреса, схему совпадения адресов и схему запроса обмена. Устройство Уц разрешает конфликты одновременного обращения в соответствии с порядком опроса устройств Уi, который легко изменяется программным путем. Объем приемопередающей аппаратуры и кабельных соединений уменьшается, но усложняется схема управления в Уi Сигналы на линиях магистрали доступны одновременно всем устройствам, поэтому передача адресов и данных не требует значительных затрат времени, однако процедура опроса весьма длительна из-за последовательного перебора адресов Уi. Вследствие этого в реальные интерфейсы, построенные по магистральному способу с параллельными коллективными линиями, добавляют элементы радиального или цепочного подключения.

Цепочный интерфейс. При цепочном интерфейсе подчиненные устройства У1,..., Уn подключаются к центральному последовательно, образуя цепочку (рис.2.7).

Рис. 2.7. Цепочный интерфейс.

В такой цепочке всем устройствам У1,..., Уn присваиваются неповторяющиеся адреса. Тогда, если обмен инициируется устройством Уц, адрес запрашиваемого устройства (Уi) передается на линии Л1 и попадает в устройство У1. Запрашиваемый адрес в устройстве У1 сравнивается с собственным адресом У1. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет линии Л1 с линиями Л2. Таким образом адрес запрашиваемого устройства попадает в У2 и процедура повторяется. Если значения адресов совпали, то коммутатор К остается в разомкнутом состоянии, а устройство, опознавшее свой адрес, логически подключается к Уц. При цепочной схеме подключения устройств процедура адресации выполняется последовательно.

Пусть обмен инициируется одним из устройств У1,...,Уn, например, У2. При этом устройство отключает посредством коммутатора К все устройства более низкого приоритета (У3,...,Уn), т.е.

размыкает линии Л3. Затем устройство У2 передает свой адрес по линии Л2. Этот адрес либо передается устройством У1 на линии Л1, если У1 не ведет обмена, для чего коммутатор К в У подключает линии Л2 к линиям Л1; либо блокируется, если устройство У1 ведет обмен с Уц.

Процедура опроса не требует последовательного перебора адресов У1,...,Уn, что значительно ее ускоряет. Однако в описанном виде цепочное подключение устройств не используется. Это объясняется значительными затратами времени на процедуру адресации из-за ее последовательного характера, значительными затратами на коммутирующую аппаратуру и невозможностью физического отключения устройств без нарушения работы других.

Комбинированные интерфейсы. В комбинированных интерфейсах используется магистральный принцип параллельной передачи информации, а для ускорения идентификации устройств используются управляющие линии, соединяющие устройства по радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному (магистрально—цепочный интерфейс) принципу.

На рис.2.8 приведена структура магистрально-радиального интерфейса. Все виды информации передаются по параллельной магистрали М. При необходимости связаться с каким-либо устройством Уi, центральное устройство Уц передает ему сигнал по индивидуальной линии управления (разрешение работы). Этот сигнал служит для подключения устройств к магистрали М с помощью коммутатора К; все остальные устройства от магистрали отключены, но имеют возможность передачи сигналов запроса по своим индивидуальным линиям управления в блок управления магистралью (арбитр), расположенный в Уц. Таким образом, каждое из устройств У1,...,Уn соединено с Уц двумя индивидуальными линиями: линией запроса и линией разрешения. Устройство Уц анализирует запросы, поступившие по системе индивидуальных линий в регистр запросов, и в зависимости от принятой системы приоритетов выдает сигнал на одну из линий разрешения работы, тем самым обеспечивается связь по магистрали М центрального устройства Уц с одним из устройств У1,...,Уn.

Рис. 2.8. Магистрально-радиальный интерфейс. Рис.2.9. Магистрально-цепочный интерфейс.

Магистрально-цепочная структура является наиболее распространенной в аппаратных интерфейсах СВВ. Все виды информации передаются по общей магистрали; адресация выполняется так же, как и в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У1,...,Уn по цепочному принципу. Магистрально— цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированным и произвольно выбираемым устройством либо между двумя произвольными устройствами.

Устройство, запрашивающее обмен, называют ведущим (или задатчиком ЗДТ), а второе устройство, участвующее в обмене,— ведомым (или исполнителем ИСП). Разрешение конфликтов выполняет арбитр (АРБ). Схема арбитра может быть сосредоточенной и распределенной. В первом случае цепочная линия интерфейса служит для передачи сигнала разрешения (выборки ВБР) от арбитра всем устройствам, которые могут инициировать обмен. Для согласования работы арбитра и устройств предусматриваются линии запроса (ТРБ) и указания занятости магистрали (ЗАН) — рис.2.9.

Если инициируется обмен со стороны устройств У1,...,Уn, то каждое из них может выставлять сигнал запроса на линию ТРБ. Получив этот сигнал, устройство Уц с целью селекции запрашивающего устройства начинает процедуру опроса, т.е. выдает сигнал на линию ВБР. Сигнал ВБР поступает на устройство У1. В случае, если обмен инициирован устройством У1, т.е. сигнал ТРБ сформирован в У1, линии магистрали посредством коммутатора К подключаются к У1, устройство формирует сигнал ЗАН, а сигнал ВБР на следующее устройство У2 не передает. Если сигнал ТРБ был сформирован каким-либо другим устройством, то устройство У1 передает сигнал ВБР по цепочной линии на устройство У2, где производится такой же анализ. Таким образом, последовательный анализ наличия запроса на обмен в каждом из устройств У1,..., Уn позволяет выделить одно из них, обладающее наибольшим приоритетом среди всех устройств, инициирующих обмен. Для своей идентификации устройство Уi в начале сообщения передает собственный адрес.