5. Устройства ввода и вывода
5.1. Общие принципы организации системы ввода-вывода
Система ввода-вывода осуществляет связь вычислительной машины с внешним миром. Технически она реализуется в виде множества модулей (функционально и технически законченных устройств) ввода-вывода (МВВ). Основное назначение указанных модулей: обеспечение интерфейса с процессором и памятью (большого интерфейса) и обеспечение интерфейса с одним или несколькими внешними устройствами (малого интерфейса).
В настоящее время различают следующие виды подключения системы ввода-вывода к ядру вычислительной системы [1]: с раздельными шинами памяти и ввода-вывода, с совместно используемыми шинами адреса и данных и подключение на общих правах с процессором и памятью (рис. 5.1). На рис. 5.1 приняты обозначения: ЦП – центральный процессор, ОП – оперативная память и СВВ – система ввода-вывода
а) |
б) |
ЦП
ОП
Адрес
Данные
Управление
СВВ
Адрес
Данные
Управление |
в)
Рис. 5.1. Способы подключения системы ввода-вывода с раздельными шинами памяти и ввода-вывода (а), с совместно используемыми шинами адреса и данных (б) и на общих правах с процессором и памятью (в)
Первый вариант обеспечивает возможность одновременного осуществления операций ввода вывода и обращений к памяти, шины системы ввода-вывода более просты, чем шины памяти, а значит и дешевле реализуемы. Однако недостатком является наличие большого числа точек подключения к процессору.
Второй вариант предполагает разделение во времени шин адреса и данных между памятью и системой ввода-вывода. Индивидуализация управления памятью и системой ввода-вывода позволяет сделать работу памяти и системы ввода-вывода более эффективной, т.к. позволяет учесть особенности процедур управления памятью и устройствами ввода-вывода.
Третий вариант наиболее простой и дешёвый, однако не в состоянии обеспечить высокую интенсивность и скорость операций обмена данными и командами.
Схема взаимодействия периферийного устройства с элементами системы ввода-вывода и процессором показана на рис. 5.2. Модуль ввода-вывода в этой системе выполняет следующие функции:
локализацию данных, т.е. организацию потока данных между процессором и определённым внешним устройством;
управление и синхронизацию, т.е. координацию перемещения данных между внешним устройством и внутренними элементами вычислительной машины;
обмен информацией, т.е. пересылку данных;
буферизацию данных, т.е. поддержку временного хранилища данных, накапливающего получаемые данные перед их отправкой дальше по технологической цепочке;
обнаружение ошибок.
Модуль состоит из узла большого интерфейса и нескольких узлов малого интерфейса. Узел большого интерфейса включает в себя узел управления вводом-выводом, регистр состояния, регистр управления, регистр данных вместе с узлом упаковки/распаковки данных, регистр управления и узел обработки адресов. Узел обработки адресов позволяет выбрать узел малого интерфейса, связанный с нужным периферийным устройством. По линии данных передаются собственно данные, состояния элементов системы ввода/вывода и команды ввода/вывода. По линии управления передаются сигналы управления модулем и внешними устройствами.
Рис. 5.2. Схема взаимодействия периферийного устройства с модулем ввода-вывода и процессором.
Основными элементами внешнего устройства в общем случае являются устройство управления (логика управления), буферная память и преобразователь. Логика управления получает команды от модуля ввода-вывода, обменивается с ним сигналами состояния различных элементов периферийного устройства и модуля ввода-вывода, также осуществляет с ним обмен данными через буферную память. При выводе данных модуль поставляет данные в буферную память, периферийное устройство преобразует данные из формата, удобного для вычислительной машины в формат, удобный для окружающей среды, и выводит данные в окружающую среду, в которую входит и пользователь вычислительной машины.
В общем случае временная диаграмма обмена данными имеет вид, показанный на рис. 5.3. Процессор выставляет данные и устанавливает в единицу сигнал ДД (данные достоверны). Периферийное устройство, прияв этот сигнал, осуществляет чтение данных и после его завершения ставит в единицу сигнал ДП (данные приняты). Процессор, обнаружив единичный сигнал ДП, сбрасывает сигнал ДД в ноль и убирает данные с шины данных. Периферийное устройство в свою очередь, обнаружив нулевой сигнала ДД, сбрасывает в нуль сигнал ДП и начинает обрабатывать данные. При чтении данных из периферийного устройства процесс протекает аналогично, но сигнал ДД формирует периферийное устройство, а сигнал ДП – процессор.
Рис. 5.3. Временная диаграмма процесса обмена информацией между процессором и периферийным устройством
Существуют три способа организации процесса ввода-вывода:
ввод-вывод с опросом;
ввод-вывод по прерываниям;
прямой доступ к памяти.
Первый способ предусматривает пословный ввод/вывод данных, который осуществляется в цикле. Признаком завершения цикла является отсутствие данных для очередного шага цикла. Внутри основного цикла имеется вложенный цикл, в котором процессор периодически опрашивает регистр состояний модуля и выявляет моменты готовности модуля и устройства для осуществления обмена данными. Если они готовы, то происходит операция чтения/записи данных, если не готовы то продолжается процесс ожидания готовности модуля и периферийного устройства. Недостатком является плохое использование процессора, который длительное время может находиться в цикле ожидания и не выполнять полезной работы.
Второй способ связан с созданием устройствами ввода-вывода прерываний. При вводе и выводе данных процессор передаёт команду на начало операции ввода/вывода и продолжает свою работу по выполнению задач.
При вводе данных модуль ввода-вывода передаёт эту команду в устройство ввода, и начинается процесс по переписыванию данных из буферной памяти периферийного устройства в i-ый узел малого интерфейса, а затем в узел большого интерфейса. При заполнении регистра данных модуль ввода-вывода создаёт запрос на обслуживание прерывания, основная программа останавливается и начинается чтение данных из регистра данных модуля в оперативную память или в процессор.
При выводе данных команда попадает в модуль ввода-вывода. Далее происходит ожидание готовности модуля к приёму данных. Когда модуль готов, создаётся сигнал прерывания, процессор переключается на перепись данных в регистр данных, и происходит процесс вывода данных в модуль ввода-вывода. После его завершения происходит процесс вывода модулем данных в буферную память периферийного устройства, в котором процессор не участвует.
Третий способ предусматривает организацию прямого доступа к памяти через специальный контроллер прямого доступа к памяти.