1.7. Технологии ввода-вывода

Возможны три метода выполнения операций ввода-вывода:

• программируемый ввод-вывод;

• ввод-вывод с использованием прерываний;

• прямой доступ к памяти (direct memory access — DMA).

Программируемый ввод-вывод

Когда процессору при выполнении программы встречается команда, связанная с вводом-выводом, он выполняет ее, передавая соответствующие команды контроллеру ввода-вывода. При программируемом вводе-выводе это устройство выполняет требуемое действие, а затем устанавливает соответствующие биты в регистрах состояния ввода-вывода. Контроллер ввода-вывода больше не посылает процессору никаких сигналов, в том числе и сигналов прерываний. Таким образом, ответственность за периодическую поверку состояния модуля ввода-вывода несет процессор; он должен производить проверку до тех пор, пока операция ввода-вывода не завершится.

При использовании такого метода процессор отвечает за извлечение из основной памяти данных, предназначенных для вывода, и размещение в ней данных, поступивших с устройств ввода. Программное обеспечение для ввода-вывода разрабатывается таким образом, что процессор непосредственно управляет операциями ввода-вывода, включая опознание состояния устройства, пересылку команд чтения-записи и передачу данных. Таким образом, в набор используемых команд входят команды ввода-вывода, принадлежащие следующим категориям.

• Управление. Команды этой категории используются для того, чтобы привести внешнее устройство в действие и сообщить ему, что нужно делать. Например, блоку с магнитной лентой можно отдать команду перемотки или перемещения вперед на одну запись.

• Состояние. Используется для проверки состояния контроллера ввода-вывода и соответствующих периферийных устройств.

• Передача. Используется для чтения и/или записи данных в регистры процессора и внешние устройства и из регистров процессора и внешних устройств.

На рис.1.19 приведен пример использования программируемого ввода-вывода для считывания в память блока данных, поступивших из внешнего устройства (например, записи с магнитной ленты). Данные считываются по одному слову. При считывании каждого слова процессор должен выполнять цикл проверки состояния, пока он не обнаружит, что это слово уже доступно в регистре данных модуля ввода-вывода. На приведенной блок-схеме видны основные недостатки такого метода: процессор выполняет большое количество операций, которых можно было бы избежать; теряется много времени.

Ввод-вывод с использованием прерываний

Проблема программируемого ввода-вывода состоит в том, что процессор должен долго ждать, пока контроллер ввода-вывода будет готов читать или при­нимать новые данные. Во время ожидания процессор должен постоянно произ­водить опрос, чтобы узнать состояние модуля ввода-вывода. В результате значи­тельно падает производительность всей системы.

При альтернативном подходе процессор может передать контроллеру ко­манду ввода-вывода, а затем перейти к выполнению другой полезной работы. Затем, когда контроллер ввода-вывода снова будет готов обмениваться данными с процессором, он прервет процессор и потребует, чтобы его обслужили. Процес­сор передает ему новые данные, а затем возобновляет прерванную работу.

Рассмотрим для начала, как все это выглядит с точки зрения контроллера ввода-вывода. Сначала он получает от процессора команду READ и переходит к считыванию данных из связанного с ним периферийного устройства. Как только эти данные поступят в регистры контроллера, он посылает процессору по шине управления сигнал прерывания и ожидает, когда процессор запросит эти данные. При поступлении запроса контроллер передает данные по информационной шине и переходит в состояние готовности для новых операций ввода-вывода.

С точки зрения процессора передача входных данных выглядит следующим образом. Процессор генерирует команду READ, а затем сохраняет содержимое программного счетчика и других регистров, соответствующих выполняемой программе, и переходит к выполнению других операций (например, он в одно и то же время может выполнять несколько различных программ). В конце каждого цикла команды процессор проверяет наличие прерываний (см. рис. 1.7). При поступлении прерывания от контроллера ввода-вывода процессор сохраняет информацию о выполняющейся в данный момент задаче и выполняет программу, обрабатывающую прерывания. При этом он считывает слова из контроллера ввода-вывода и заносит их в память. Затем он восстанавливает контекст программы, от которой поступила команда ввода-вывода и продолжает работу.

Использование для чтения блока данных ввода-вывода, управляемого прерываниями. показано на рис. 1.19,б. Ввод-вывод с прерываниями намного эффективнее, чем программируемый ввод-вывод, так как при нем исключается ненужное ожидание. Однако этот процесс все еще потребляет много процессорного времени, потому что каждое слово, которое передается из памяти в модуль ввода-вывода или в обратном направлении, должно пройти через процессор.

Почти в каждой компьютерной системе есть несколько контроллеров ввода-вывода, поэтому нужны механизмы, позволяющие процессору определить, какое из устройств вызвало прерывание, а если прерывание одно, то решить, какое из них будет обрабатываться в первую очередь. В некоторых системах имеется не­сколько шин прерываний, так что каждый контроллер ввода-вывода посылает сигнал по своей шине, причем у каждой шины — свой приоритет. Есть и другой вариант, когда прерывающая шина всего одна, но тогда используются дополни­тельные шины, по которым передаются адреса устройств. В этом случае каждо­му устройству также присваиваются разные приоритеты.