1.8. Базовые устройства ввода-вывода встроенных систем

Подсистема ввода-вывода ответственна за связь с устройствами ввода-вывода I/O. Каждое I/O в общем случае состоит из двух частей: одна из них называется контроллером, а другая представляет собой само I/O.

С точки зрения программиста подсистему ввода-вывода можно представить или в виде отдельного пространства ввода-вывода (изолированное пространство ввода-вывода) со своими командами для доступа к нему или в виде определенной части адресного пространства памяти (совмещенное пространство ввода-вывода). В любом случае пространство ввода-вывода организовано в виде набора n-разрядных ячеек – портов (n=8,16,32) и линейно упорядочено.

Между CPU и I/O происходит обмен информацией двух типов: служебной и собственно данных. Служебная информация от CPU инициирует действия, связанные с обменом данных, и представляется с помощью управляющих слов CW (Control Word). Служебные сообщения от I/O, информирующие CPU о его текущем состоянии, называются словами состояния SW (Status Word). В отличие от них данные передаются с помощью слов данных DW (Data Word).

Объем служебной информации, которой обмениваются I/O и CPU , а также ее интерпретация зависят от типа I/O. Для наиболее простых устройств, служебная информация не нужна, а для других – управляющая информация и данные о состоянии УВВ могут иметь значительный объем.

Размер пространства доступа (совокупность портов) в общем случае не зависит от объема информации, которой обмениваются I/O и CPU . Распространена практика последовательной передачи массива информации через один и тот же порт. Это связано не только с экономией пространства ввода-вывода, но и с минимизацией ширины физического интерфейса I/O, а также с его стандартизацией. Существует соглашения об обмене информацией между I/O и CPU , называемые протоколами обмена. Эти протоколы являютсяосновой для разработки драйверов (набор подпрограмм) I/O, организующих обмен данными.

В тех случаях, когда процедуры обмена информацией с I/O инициируются и выполняются непосредственно программой, реализуемой CPU, говорят о программно-управляемом обмене. Программно-управляемый обмен не является единственным типом обмена. Но судя по аппаратным затратам, это наиболее эффективный тип обмена, поэтому он находит самое широкое применение в MPS.

В наиболее простом виде процесс программно-управляемого ввода-вывода выполняется независимо от состояния I/O. Такой вид обмена назван прямым или безусловным. Процессы прямого ввода-вывода в чистом виде возможны только при условии, что I/O всегда готовы к обмену. К тому же они являются составными элементами более сложных процессов программно-управляемого обмена, к числу которых относится условный ввод-вывод. Существует два типа условного ввод-вывод: с занятием цикла (рис.27,а) и совмещенный (рис.27,б).

В первом случае MPS «зависает» в цикле ожидания готовности, тратя на это все процессорное время. Во втором случае, если I/O не готово к обмену, CPU возвращается к основной задаче без выполнения операции ввода-вывода. Однако он может снова проверить готовность УВВ к обмену и при удачном исходе выполнить его.

После завершения операции обмена сигнал готовности I/O должен быть снят и выставлен заново только при новой готовности к обмену. С этой целью I/O следует проинформировать об окончании операции, для чего используется включенный в одно из управляющих слов CW сигнал подтверждения. Протокол обмена служебной информации такого типа называется квитированием. Он обеспечивает надежную асинхронную передачу данных со скоростями, определяемыми I/O.

Рис.27. Процедуры программно-управляемого обмена:

б – условного с занятием цикла: в – условного совмещенного