Способы обмена информацией с внешними устройствами

Обмен информацией между ЭВМ и внешними по отношению к ней устройствами (периферией) является неотъемлемым элементом любого вычислительного процесса. В случае стандартной периферии и работы ЭВМ под управлением операционной системы весь процесс обмена оказывается скрытым от пользователя. Необходимо лишь оформить в программе соответствующую системную директиву ввода-вывода. Возможности, предоставляемые операционной системой, достаточно широки и удовлетворяют большинству потребностей, возникающих при работе со стандартной периферией. Непосредственное обращение к стандартным внешним устройствам можно допустить, только зная детали взаимодействия операционной системы с периферией, чтобы гарантировать отсутствие побочных эффектов, которые могут привести к нарушению нормального функционирования либо программы пользователя, либо операционной системы. Обычно в операционной системе имеются разнообразные средства защиты и контроля, направленные против непредусмотренного вмешательства чересчур активного, неумелого или неаккуратного пользователя.

Особое значение вопрос организации обмена приобретает в автоматизированных системах, где ЭВМ взаимодействует с нестандартной периферией, поскольку от его решения во многом зависит эффективность использования ЭВМ. Обмен с нестандартной периферией, как правило, не поддерживается операционной системой и программируется пользователем. Для корректного проведения обмена необходимо ознакомиться с принципами организации ввода-вывода. Напомним, что передача информации происходит по линиям данных магистрали ЭВМ. По отношению к центральному процессору каждое внешнее устройство представляет собой набор регистров (CSR и DSR), расположенных в контроллере устройства, и собственно обмен сводится к записи информации в эти регистры или считыванию информации из них. В ЭВМ с единой магистралью эти регистры имеют адреса, расположенные в адресном пространстве, и процессор может обращаться к ним так же, как и к ячейкам оперативной памяти В IBM PC совместимом компьютере эти адреса занимают область 100÷1FF, которая отводится для нужд пользователя.

Организация любой ЭВМ обеспечивает следующие четыре способа обмена, первые два из которых, иногда называют программно-управляемыми, поскольку обмен происходит полностью под управлением программы:

· синхронный,

· асинхронный,

· по прерыванию,

· с использованием канала прямого доступа к памяти (ПДП) или обмен с занятием цикла.

Синхронный обмен, являясь самым быстрым, обеспечивает передачу информации за одну машинную команду. Схематическое изображение этого способа дано на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Синхронный обмен.

Центральный процессор, выполняя команду, связанную с передачей информации, является инициатором обмена как при вводе, так и при выводе. Внешнее устройство играет пассивную роль, передавая или принимая информацию по командам центрального процессора. Этот способ предполагает близость значений скорости обмена, определяемой программой и быстродействием центрального процессора, и скорости, с которой может производить обмен внешнее устройство. Однако, как правило, эти скорости существенно различаются, а синхронный способ не располагает средствами их синхронизации.

Асинхронный обмен позволяет программно синхронизовать обмен между ЭВМ и низкоскоростным внешним устройством. Это достигается проверкой готовности устройства до проведения обмена. Готовность к обмену отображается определенным разрядом регистра состояния и управления CSR этого устройства (флагом готовности) (рис.3.2).

Рисунок 3.2 – Асинхронный обмен.

Для выяснения состояния устройства необходимо прочитать содержимое его CSR и проанализировать соответствующий разряд. Если устройство занято, происходит переход на команду чтения содержимого CSR и программа зацикливается. Отметим, что при такой организации обмен, происходящий при наступлении готовности, осуществляется синхронным способом. Флаг готовности сбрасывается внешним устройством после того, как произошел обмен данными с ЭВМ.

Следует отметить, что и в случае асинхронного обмена внешнее устройство играет пассивную роль, предоставляя для чтения или записи регистр данных и принимая или передавая данные для обмена по командам центрального процессора. Оно не может быть инициатором обмена. Другим существенным недостатком этого способа является непроизводительная трата времени, особенно при взаимодействии с низкоскоростными внешними устройствами, поскольку большую часть времени процессор тратит на ожидание готовности их к обмену. Так, для принтера с типичной скоростью печати порядка 100 симв/с только 0,04% машинного времени, отведенного на обмен, тратятся непосредственно на передачу данных, остальные же 99,96 % времени расходуются на ожидание готовности.

Обмен по прерыванию лишен отмеченных выше недостатков асинхронного способа и позволяет более эффективно использовать ресурсы ЭВМ. Отличительной чертой обмена по прерыванию в сравнении с программным способом является активность внешнего устройства, которое выступает инициатором обмена, выставляя так называемое требование прерывания. Роль же центрального процессора сводится лишь к тому, чтобы, откликнувшись на требование, его выполнить. Кроме того, процессор программным способом может разрешить или запретить внешнему устройству выставлять требование прерывания. Поскольку обмен по прерыванию помимо программной поддержки использует аппаратные средства, этот способ не является программно-управляемым.

Схематически обмен по прерыванию изображен на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 – Обмен по прерыванию.

Центральный процессор выполняет работу по программе, называемой фоновой, которая может быть не связана с обменом, при этом часть центрального процессора, называемая арбитром, следит за появлением сигнала требования прерывания от внешнего устройства. При поступлении этого сигнала центральный процессор, закончив выполнение текущей команды фоновой программы, организует с помощью арбитра переход на подпрограмму обслуживания прерываний от данного устройства, в которой и происходит обмен одним из программно-управляемых способов. После окончания выполнения подпрограммы обслуживания прерывания осуществляется переход в фоновую программу на то место, с которого она была прервана.

В процессе работы ЭВМ под управлением операционной системы постоянно происходит обмен информацией между оперативной и внешней памятью. Потребность в таком обмене связана с ограниченным объемом оперативной памяти. Часть данных и программ, необходимость в которых отпадает, переносится из оперативной памяти во внешнюю и на освободившееся место из внешней памяти загружаются необходимые для дальнейшего использования данные и программы. Этот обмен обычно осуществляется фиксированными блоками информации, содержащими в зависимости от устройства определенное количество байт. Естественным является требование, чтобы эти передачи занимали по возможности минимальное время, поскольку они снижают реальное быстродействие машины. При работе ЭВМ с нестандартной периферией, например в информационно-измерительных комплексах, также часто возникает необходимость в быстром обмене блоками информации между оперативной памятью и внешними устройствами.

Блочная передача данных между оперативной памятью и внешним устройством осуществляется по так называемому каналу прямого доступа к памяти (ПДП). Существенной особенностью этого способа является то, что процессор не принимает участие в обмене, хотя сама передача происходит с использованием магистрали ЭВМ. Управление магистралью во время обмена полностью передается внешнему устройству, которое, являясь инициатором обмена, берет на себя все функции процессора по организации работы магистрали. Следует отметить, что захват магистрали может происходить и до окончания выполнения процессором текущей команды. Таким образом, обмен с использованием ПДП обеспечивает максимально возможную скорость; платой за это являются достаточно сложные организация и логика работы соответствующего внешнего устройства.