Вопрос 22.Модули ввода/вывода.

Модуль ввода/вывода (МВВ) в составе вычислительной машины отвечает за управление подключенными к нему одним или несколькими ПУ и за обмен данными между этими устройствами, с одной стороны, и основной памятью или регистрами ЦП — с другой. Основные функции МВВ можно сформулировать следующим образом:

■ локализация данных;

■ управление и синхронизация;

■ обмен информацией;

■ буферизация данных;

■ обнаружение ошибок.

Локализация данных

Под локализацией данных будем понимать возможность обращения к одному из ПУ, а также адресации данных на нем.

Адрес ПУ обычно содержится в адресной части команд ввода/вывода. Как уже от­мечалось, в состав СВВ могут входить несколько модулей ввода/вывода. К каждому МВВ может быть подключено несколько ПУ, поэтому каждому модулю назначается определенный диапазон адресов, независимо от того, является ли пространство адре­сов совмещенным или раздельным. Старшие разряды обеспечивают выбор одного из МВВ в рамках системы ввода/вывода. Младшие разряды адреса представляют собой уникальные адреса регистров данного модуля или подключенных к нему ПУ. Одной из функций МВВ является проверка «попадания» поступившего адре­са в выделенный данному модулю диапазон адресов. При положительном ответе для простейших периферийных устройств (клавиатура, принтер и т. п.) адрес ПУ однозначно определяет и расположение данных на этом устройстве. Для более сложных ПУ, таких как внешние запоминающие устройства, информация о ме­стонахождении данных требует детализации. Так, для ЗУ на магнитном диске не­обходимо указать номер цилиндра, номер сектора и т. п. Эта часть адресной ин­формации передается в МВВ не по шине адреса, а в виде служебных сообщений, пересылаемых по шине данных. Обработка такой информации в модуле, естествен­но, сложнее, чем выбор нужного регистра или ПУ. В частности, она может требо­вать от МВВ организации процедуры поиска на носителе информации.

Управление и синхронизация

Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВВ должен коорди­нировать перемещение данных между внутренними ресурсами ВМ и периферий­ными устройствами. При разработке системы управления и синхронизации модуля ввода/вывода необходимо учитывать целый ряд факторов.

Прежде всего, нужно принимать во внимание, что центральный процессор может взаимодействовать одновременно с несколькими ПУ, причем быстродействие под­ключаемых к МВВ периферийных устройств варьируется в очень широких преде­лах — от нескольких байтов в секунду в терминалах до десятков миллионов байтов в секунду при обмене с магнитными дисками. Если в системе используются шины, каждое взаимодействие между ЦП и МВВ включает в себя одну или несколько процедур арбитража.

В отличие от обмена с памятью, процессы ввода/вывода и работа ЦП протекают не синхронно. Очередная порция информации может быть выдана на устройство вывода лишь тогда, когда это устройство готово их принять. Аналогично, ввод до­пустим только в случае доступности информации на устройстве ввода.

Обмен информацией

Основной функцией МВВ является обеспечение обмена информацией. Со стороны «большого» интерфейса — это обмен с ЦП, а со стороны «малого» интерфейса — обмен с ПУ. В таком плане требования к МВВ диктуются последовательностью операций, выполняемых процессором при вводе/выводе:

1. Выбор требуемого периферийного устройства.

2. Определение состояния МВВ и ПУ.

3. Выдача указания модулю ввода/вывода на подключение нужного ПУ к про­цессору.

4. Получение от МВВ подтверждения о подключении затребованного ПУ к про­цессору.

5. Распознавание сигнала готовности устройства к передаче очередной порции информации.

6. Прием (передача) порции информации.

7. Циклическое повторение двух предшествующих пунктов до завершения пере­дачи информации в полном объеме.

8. Логическое отсоединение ПУ от процессора.

С учетом описанной процедуры функция обмена информацией с ЦП включает в себя:

■ распознавание команды: МВВ получает команды из ЦП в виде сигналов на шине управления;

■ пересылку данных между МВВ и ЦП;

■ извещение о состоянии: из-за того что ПУ — медленные устройства, важно знать состояние модуля ввода/вывода. Так, в момент получения запроса на пересылку данных в центральный процессор МВВ может быть не готов выполнить эту пере­сылку, поскольку еще не завершил предыдущую команду. Этот факт должен быть сообщен процессору с помощью соответствующего сигнала. Возможны также сигналы, уведомляющие о возникших ошибках;

■ распознавание адреса: МВВ обязан распознавать адрес каждого ПУ, которым он управляет.

Помимо обмена с процессором, МВВ должен обеспечивать функцию обмена ин­формацией с ПУ. Такой обмен также включает в себя передачу данных, команд и информации о состоянии.

Буферизация

Несмотря на различия в скорости обмена информацией для разных ПУ, все они в этом плане значительно отстают от ЦП и памяти. Такое различие компенсиру­ется за счет буферизации. При выводе информации на ПУ данные пересылаются из основной памяти в МВВ с большой скоростью. В модуле эти данные буферизи­руются и затем направляются в ПУ со скоростью, свойственной последнему. При вводе из ПУ данные буферизируются так, чтобы не заставлять память работать в режиме медленной передачи. Таким образом, МВВ должен обеспечивать работу как со скоростью памяти, так и со скоростью ПУ.

Обнаружение ошибок

Еще одной из важнейших функций МВВ является обнаружение ошибок, возни­кающих в процессе ввода/вывода. Центральный процессор следует оповещать о каждом случае обнаружения ошибки. Ошибки могут быть вызваны самыми раз­нообразными факторами:

■ загрязнение и влага;

■ повышенная или пониженная температура окружающей среды;

■ электромагнитное облучение;

■ скачки напряжения питания.

■ старение элементной базы;

■ ошибки в системном программном обеспечении;

■ ошибки в пользовательском программном обеспечении.

 

Вопрос 23. Структура модуля ввода-вывода.

Структура МВВ в значительной мере зависит от числа и сложности периферийных устройств, которыми он управляет, однако в самом общем виде такой модуль мож­но представить в форме, показанной на рис. 8.4.

Связь модуля ввода/вывода с ядром ВМ осуществляется посредством системной или специализированной шины. С этой стороны МВВ реализуется так называемый «большой» интерфейс. Большие различия в архитектуре систем команд и шин ВМ являются причиной того, что со стороны «большого» интерфейса модули ввода/ вывода достаточно трудно унифицировать, и часто МВВ, созданные для одних ВМ, не могут быть использованы в других. Тем не менее в структурном плане они до­статочно схожи.

Данные, передаваемые между МВВ и ядром вычислительной машины, буфери­зируются в регистре данных, благодаря чему удается компенсировать различие в быстродействии ядра ВМ и периферийных устройств. Разрядность регистра, как правило, совпадает с количеством линий в шине, подключаемой со стороны «боль­шого» интерфейса (обычно 4 или 8 байтов). В то же время большинство ПУ ори­ентировано на побайтовый обмен информацией. Побайтовая пересылка информа­ции по «широкой» системной шине — крайне неэффективное решение, поэтому со стороны «малого» интерфейса регистр данных часто дополняют узлом упаковки/ распаковки (на схеме не показан). Этот узел при вводе обеспечивает последова­тельное побайтовое заполнение регистра данных (упаковку), а при выводе — по­следовательную побайтовую выдачу содержимого регистра на ПУ (распаковку).

В результате обмен данными через «большой» интерфейс выполняется за один такт. МВВ может содержать несколько регистров данных, что позволяет независи­мо хранить текущие данные каждого из периферийных устройств, подключенных к данному модулю ввода/вывода.

Помимо регистра данных, в составе МВВ имеются также регистр управления и ре­гистр состояния (либо совмещенный регистр управления/состояния).

В регистре управления (РУ) фиксируются поступившие из ЦП команды управле­ния модулем или подключенными к нему периферийными устройствами. Отдель­ные разряды регистра могут представлять такие команды, как очистка регистров МВВ, сброс ПУ, начало чтения, начало записи и т. п. В сложных МВВ присутствует несколько регистров управления, например регистр управляющих сигналов для модуля в целом и отдельные РУ для каждого из ПУ.

Регистр состояния (РС) служит для хранения битов состояния МВВ и подключен­ных к нему ПУ. Содержимое определенного разряда регистра может характеризо­вать, например, готовность устройства ввода к приему очередной порции данных, занятость устройства вывода или нахождение ПУ в автономном режиме (offline). В МВВ не исключается наличие и более одного регистра состояния.

Процедура ввода/вывода предполагает возможность работы с каждым регистром МВВ или периферийным устройством по отдельности. Такая возможность обеспе­чивается системой адресации. Каждому модулю в адресном пространстве ввода/ вывода (совмещенном или раздельном) выделяется уникальный набор адресов, ко­личество адресов в котором зависит от числа адресуемых элементов. Поступивший из ЦП адрес с помощью селектора адреса проверяется на принадлежность к диа­пазону, выделенному данному МВВ. В случае подтверждения дешифратор адреса выполняет раскодирование адреса, разрешая работу с соответствующим регистром модуля или ПУ.

Узел управления вводом/выводом, по сути, играет роль местного устройства управ­ления МВВ. На него возлагаются две задачи: обеспечение взаимодействия с ЦП и координация работы всех составляющих МВВ. Связь с ЦП реализуется посред­ством линий управления, по которым из ЦП в модуль поступают сигналы, служа­щие для синхронизации операций ввода и вывода. В обратном направлении пере­даются сигналы, информирующие о происходящих в модуле событиях, например сигналы прерывания. Часть линий управления может задействоваться модулем для арбитража. Вторая функция узла управления реализуется с помощью внутрен­них сигналов управления.

Со стороны «малого» интерфейса МВВ обеспечивает подключение периферий­ных устройств и взаимодействие с ними. Эта часть МВВ более унифицирована, поскольку периферийные устройства всегда «подгоняются» под один из стандарт­ных протоколов. Каждое из периферийных устройств обслуживается своим узлом «малого» интерфейса, который реализует принятый для данного ПУ стандартный протокол взаимодействия.

При управлении широким спектром ПУ модуль должен по возможности освобож­дать ЦП от знания деталей конкретных ПУ, так чтобы ЦП мог управлять любымустройством с помощью простых команд чтения и записи. МВВ при этом берет на себя задачи синхронизации, согласования форматов данных и т. п.

Модуль ввода/вывода, который берет на себя детальное управление ПУ и общает­ся с ЦП только с помощью команд высокого уровня, часто называют каналом вво­да/вывода или процессором ввода/вывода. Наиболее примитивный МВВ, требую­щий детального управления со стороны ЦП, называют контроллером ввода/вывода или контроллером устройства. Как правило, контроллеры ввода/вывода типичны для микроЭВМ, а каналы ввода/вывода — для больших универсальных ВМ.