Эволюция принципов обмена информацией в эвм

ВВЕДЕНИЕ

Данный курс лекций посвящен периферийным устройствам ЭВМ.

Периферийные устройства - наиболее динамично развивающаяся область информационных технологий. Постоянно появляются принципиально новые устройства, как с точки зрения функций ими выполняемых, так и с точки зрения технологий их изготовления и работы. На смену магнитным дискам пришли оптические устройства, механические запоминающие устройства вытесняются более надежными, компактными и бесшумными устройствами на основе флэш-памяти. Практически любое устройство, имеющее разъем USB может рассматриваться, как периферийное. Это может быть видеокамера, ауди плеер, сотовый телефон, игровая приставка, тренажер, мультимедиа проектор, интерактивная доска и т.д. На смену игольчатым принтерам пришли струйные и лазерные принтеры, причем ежегодно происходит смена моделей ведущих фирм производителей. Отдельно отметим такие перспективные направления, как 3D принтеры и гибкие дисплеи.

Большое внимание будет уделено системам ввода-вывода и интерфейсам. Роль и значение их в последнее время существенно возросли. Это связано, прежде всего, с быстрым ростом производительности микропроцессоров. Частота их работы выросла и составляет сотни мегагерц. Постоянно увеличивается разрядность: 32, 64, 128, 256 бита. Растет емкость оперативных запоминающих устройств, достигая сотен мегабайт и гигабайт. Уменьшается время доступа ОЗУ, составляя единицы и доли наносекунд. Увеличивается количество ПУ, подключаемых к компьютеру, растет их скорость работы. Емкость модуля жестких дисков уже составляет терабайты. Увеличивается объем графической информации, выводимый на монитор, широко используется трехмерная графика, «живое видео».

Все это требует постоянного увеличения скорости передачи информации и такой организации взаимосвязи устройств в вычислительной системе, которая минимизирует потери процессорного времени и равномерно загружает работой все устройства компьютера.

Именно поэтому рассматриваются функции систем ввода-вывода и интерфейсов в вычислительных системах, принципы их построения и функционирования.

 

 

Лекции ориентированы на студентов, специализирующихся

в области вычислительной техники и программирования.

Знание интерфейсов позволяет разработчику аппаратуры более грамотно подойти к выбору варианта, соответствующего поставленной задаче.

Материалы курса необходимы системным интеграторам для грамотного подбора типов устройств и оптимального объединения их в систему.

Сведения из учебного курса помогут системным программистам при разработке собственных драйверов или адаптации чужих разработок.

В данном курсе лекций мы подробно рассмотрим все аспекты области периферийных устройств, тенденции развития, новейшие разработки.

Особое внимание будем уделять физическим принципам на основе которых реализовано то или другое внешнее устройство.

Однако начнем с истории развития, без знания которой нельзя понять и оценить тенденции развития. Кроме того основные принципы и методы построения систем открытые в то время используются до сих пор, естественно с учетом современных реалий.

 

ЛЕКЦИЯ 1
РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ
И РАЗНОВИДНОСТИ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Рис. 2. Структура модульной системы.

- П — процессор (микропроцессор — МП). - ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
- ПЗУ — постоянное запоминающее устройство. - ОШ — общая шина (системная магистраль).
- ИМ — интерфейсный модуль (контроллер). - ПУ — периферийное устройство.

Основные принципы обмена информацией в ЭВМ такого типа:

· Только два устройства в каждый фиксированный момент времени могут обмениваться информацией (МП — ОП или МП — ПУ или ПУ-ОП).

· Управление обменом (управление Общей Шиной) берет на себя активное устройство или задатчик. Задатчиком может быть МП или ПУ.

· Обмен осуществляется с использованием асинхронного принципа (запрос — ответ).

· Осуществляется механизм арбитража между устройствами.

· Реализуются три способа обмена данными через интерфейс ОШ, а именно:

— простой программно-управляемый обмен;

— программно-управляемый обмен с использованием

прерываний;

— обмен с использованием прямого доступа к памяти

(ПДП).

 

В настоящее время процесс развития и совершенствования принципов обмена информацией идет по многим направлениям, основные из которых можно сформулировать следующим образом:

· Построение многошинных структур организации ЭВМ и СВВ.

· Повышение скорости обмена на основе построения т.н. «быстрых» интерфейсов.

· Применение МП, БИС и СБИС в компонентах СВВ, позволяющее повысить «интеллектуальность» ПУ.

· Переход от «индивидуальных» устройств к коллективным ПУ.

· Переход от централизованной обработки данных к децентрализованной (сети ЭВМ).

· Использование новых физических принципов в построении ПУ (лазерный, струйный, термический процессы, квантово механические эффекты, нанотехнологии и др.).

· Создание мультимедиа систем — комплекса аудиовизуальных средств обмена информацией.

СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА ЭВМ

Основные этапы развития ЭВМ

Весь период развития ЭВМ от первых машин до современных компьютеров можно разделить на 2 этапа:

Первый этап(50 -60 годы 20 века): это время от появления первой вычислительной машины до внедрения в ЭВМ интегральных схем и микропроцессоров. Этап характеризуется следующими особенностями ЭВМ:

1. Все ЭВМ разрабатывались на собственной уникальной элементнойбазе.

2. Процессоры (арифметико-логические устройства — АЛУ), ОЗУ, устройства управления (УУ) каждой машины имели архитектуру и структуру, присущие только даннойЭВМ.

3. Связь между отдельными устройствами ЭВМ осуществлялась с помощью интерфейсов, используемых только этим типом ЭВМ.

4. Стандартыиспользовались в основном только применительно к периферийным устройствам, и не касались внутренних узлов ЭВМ.

Нельзя не упомянуть об ЭВМ «МИФИ», как о типичном представителе первого этапа. Эта машина одна из первых ЭВМ в СССР. Она уникальна тем, что была создана в учебном вузе, силами сотрудников МИФИ и долгое время использовалась в учебных целях. Сотрудники ее создавшие получили бесценный практический опыт и в последствие стали создателями и ведущими преподавателями кафедры ЭВМ МИФИ (теперь это каф. №12).

Наиболее известные «брэнды» первого этапа развития ЭВМ, это: IBM 360 (370), DЕС, РDР-11, БЭСМ-1 (2, 3, 4, 5, 6), ЕС ЭВМ, СМ(1, 2, 3,4), Урал, Наири, Минск, М-220.

Особо следует выделить ЭВМ БЭСМ – 6, намного опередившую свое время. Она считалась лучшей ЭВМ в мире на тот период, а название «БЭСМ – 6» вошло в английские словари наравне со словом спутник, как самостоятельное слово.

К сожалению, в силу целого ряда причин впоследствии, ведущие позиции СССР в вычислительной технике были утрачены.

На этом этапе были сформулированы основные понятия и определения актуальные до сих пор. Приведем их.

Под архитектурой ЭВМ (вычислительной системы - ВС) понимается система основных функциональных средств, доступных пользователю, и принципов организации процесса переработки информации в ЭВМ на уровне операций над массивами и задачами в целом.

Из этого определения следует, что архитектура объединяет аппаратные и программные средства ЭВМ в систему, то есть архитектура есть логическая организация системы.

Структура ЭВМ — это описание связей между отдельными узлами ЭВМ. Структура ЭВМ является частью архитектуры ЭВМ.

Второй этап (70 годы 20 века и по сей день) начался с появлением интегральных схем и микропроцессоров. Этот этап характеризуется следующими особенностями ЭВМ:

1. Существенно возросла стандартизация, без которой разработка и выпуск компьютеров на новой элементной базе стали невозможны.

2. ЭВМ стали строиться на принципах «трех М» — м одульность, микропрограммируемость, магистральность.

Модуль — представляет собой функционально полное и конструктивно законченное, серийно выпускаемое и программно управляемое устройство. Компьютер собирается из этих модулей с помощью стандартных каналов связи — интерфейсов.

 

Микропрограммируемость — представляет собой подход, с помощью которого определенные действия ЭВМ выполняются за счет заранее подготовленных и записанных в памяти ЭВМ коротких программ, исключающих на этапе программирования задачи написание рутинных операций по выполнению стандартных действий компьютера (например, драйвер это микропрограмма управления периферийным устройством).

Магистральность — средства объединения модулей в единую систему (компьютер или вычислительную систему).
Впервые на втором этапе появилась новая системная среда компьютера — среда передачи информации или система ввода-вывода.

Рис. 4. Состав системы ввода - вывода

На рисунке приведен практически полный состав СВВ, что в реальных условиях бывает крайне редко, так как в компьютере редко бывает ситуация, когда используются все ПУ. Следует отметить, что данный рисунок не содержит современных периферийных устройств, таких, как флэш – накопитель, интерактивная доска, мультимедиа проектор, которых на тот период еще не было.

 

 

Практически всегда используются:

· Клавиатура.

· Устройства внешней памяти.

· Монитор (дисплей).

· Мышь.

Остальные устройства, приведенные на рисунке, подключаются к системной плате по мере необходимости.
СВВ определяет следующие характеристики компьютера (вычислительной системы):

· Производительность ЭВМ.

· Стоимость ЭВМ.

· Удобство работы пользователя (эргономика).

Оценивать производительности ЭВМ только производительностью процессора принципиально неверно, поскольку именно производительность СВВ зачастую определяет временные характеристики решения задачи, как правило, в сторону замедления.

Рис. 5. Управление вводом - выводом

 

· Управление передачей «процессор ОЗУ» реализуется в рамках одной компьютерной команды на уровне микрокоманд (Рис. 5, б).

· Управление процессом ввода-вывода с учетом специфики ПУосуществляется с помощью специальной программы, которая называется драйвером и содержит как команды компьютера, так и команды управления специфичные для каждого типа ПУ (Рис. 5, в).

Основные ВЫВОДЫ

1. Канал ввода-вывода (главный контроллер) является устройством (комплексом), характерным для суперЭВМ.
2. Главный контроллер реализует функции управления, являющиеся общими для всех ПУ.

3. Контроллер интерфейса ввода-вывода (внешнего интерфейса) учитывает специфику интерфейса, связывающего его с ПУ.

4. В компьютерах, которые работают с малой интенсивностью ввода / вывода (ПЭВМ) - главный контроллер отсутствует, а его функции берет на себя микропроцессор. Он работает непосредственно с контроллером ввода-вывода ПУ, что упрощает структуру СВВ.
5. При работе с быстрой периферией используют режим ПДП. Для этого режима аппаратно реализуется канал ввода-вывода в виде контроллера прямого доступа к памяти.

 

 

ЛЕКЦИЯ 2

Разновидности интерфейсов

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации, способамисоединения устройствирежимами обмена информации. Кроме того, организацию интерфейсов определяет то, какие устройства этот интерфейс соединяет.

По функциональным признакам различают следующие интерфейсы.

1. Внутриплатные интерфейсы, объединяющие БИС и СБИС на материнской плате компьютера. Их иногда называют межблочными.
2. Системные (или внутримашинные) интерфейсы, объединяющиев единую систему отдельные модули ЭВМ.

З. Внешние интерфейсы или интерфейсы внешних (периферийных) устройств.

4. Интерфейсы сетей, объединяющие компоненты сети в единое целое.
5. Интерфейсы мульти микропроцессорных систем, которые характерны для многопроцессорных систем.

 

По способам обмена информацией между сопрягаемыми устройствами, способам соединения устройств и режимам обмена информацией интерфейсы подразделяются на:

1) параллельные и последовательные;
2) синхронные и асинхронные;
3) радиальные, магистральные, цепочные и комбинированные;
4) симплексные, дуплексные, полудуплексные.

В общем случае при конструировании интерфейсов могут быть реализованы следующие варианты обмена данными:

1) передача от одного устройства только одному другому (передача «точка-точка»);
2) передача от одного устройства всем другим (трансляционный обмен);
3) передача от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).

Интерфейсы компьютеров и СВВ обычно реализуют только первый вариант обмена между двумя устройствами.

Параллельным интерфейс является тогда, когда все разряды данных и адресов передаются одновременно.

Последовательный интерфейс — передает данные, и адреса последовательно бит за битом.

При синхронной передаче данных передатчик поддерживает постоянные интервалы времени между очередными порциями данных в процессе передачи всего сообщения или значительной его части. Приемник независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов (синхроимпульсов) обеспечивает прием этих данных в темпе их выдачи.

 

При асинхронной передаче данных также нужен сигнал синхронизации. Но передачу называют асинхронной, если

синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого отдельного кванта информации, а интервал между передачей этих квантов непостоянен, то есть передача осуществляется по мере готовности данных.

Дуплексный режим обмена — это режим, в котором передаваемые данные следуют одновременно в двух направлениях — от передатчика к приемнику и в обратном направлении. Этот режим требует как минимум удвоения линий передачи данных в интерфейсе.
Полудуплексный режим передачи — осуществляется по линиям передачи данных сначала от передатчика к приемнику, а затем в противоположном направлении по тем же линиям интерфейса.

Симплексный режим передачи — это передача в одном направлении. Такой режим характерен для таких устройств, как принтер, плоттер, сканер и некоторых других.

Рис. 2. Магистральный и цепочный интерфейсы

В магистральном варианте комбинированного интерфейса:

1. Все виды информации передаются по магистрали.

2. При необходимости связаться с устройством У_i центральное устройство У_ц передает ему по индивидуальной линии сигнал «разрешение работы», который разрешает устройству У_i через коммутатор К подключится к магистрали.

3. Таким образом, кроме магистрали каждое устройство У_i соединяется с центральным устройством двумя линиями — линией запроса и линией разрешения. Управляет идентификацией устройств арбитр (АРБ).

 

 

Пример магистрально-цепочного интерфейса приведен на Рис. 2, б.

Эта структура широко распространена на практике. Здесь все виды информации передаются также по магистрали, адресация устройств осуществляется так же, как в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У₁—У_п по принципу цепи. Сигнал выборки (ВБР) подается последовательно на все периферийные устройства. То из периферийных устройств, которое послало на линию требования (ТРБ) свой адрес (А), запрашивая сеанс связи с центральным устройством, блокирует распространение сигнала ВБР и устанавливает связь с центральным устройством.
Магистрально-цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированным и произвольно выбираемым устройством, либо между двумя произвольными устройствами.
Такой принцип построения интерфейса впервые был использован в ЭВМ IВМ 360 и ЕС ЭВМ.

3.5 Синхронный и асинхронный обмен информацией в интерфейсах

Ранее были даны определения синхронной и асинхронной передаче информации.

Синхронизация является той функцией, которая определяет скорость и надежность передачи информации. Синхронная и асинхронная передача реализуется либо с использованием аппаратных, либо программных средств.

При аппаратной синхронизации используются специальные сигналы — синхроимпульсы и сигналы стробирования.

Программная синхронизация использует специальные маркеры и метки, представляющие собой либо коды синхронизации, либо пакеты-маркеры, содержащие соответствующую информацию.

Линии интерфейса, по которым передаются данные, могут находиться в 3-х состояниях: состояние «1», состояние «0» и состояние отсутствия информации. Состояние отсутствия информации называют паузой на линии (шине) или холостым ходом шины. Для того чтобы приемник информации надежно различал эти состояния (например, отличал состояние «0» от холостого хода), используются стробирующие сигналы (стробы), которые подаются одновременно с данными. Стробы используются также и для синхронизации интерфейса.

Поскольку существуют два типа интерфейсов — параллельный и последовательный, а передача может быть синхронной и асинхронной, возможны 4 варианта передачи данных: параллельная синхронная и асинхронная, последовательная синхронная и асинхронная.

Отметим проблемы, возникающие при передаче данных параллельным кодом. Чем выше разрядность этого кода (От 8 до 64 разрядов), тем сложней правильно организовать передачу этого кода быстро и без ошибок. Допустим, что 2 устройства осуществляют передачу многоразрядного кода от устройства А к устройству Б. Поскольку электронные схемы, формирующие сигналы имеют разброс своих временных характеристик (собственные задержки не равные нулю), то установление сигналов 0 и 1 на линиях будет происходить в разные моменты времени в течение промежутка переключения. Кроме того, появление сигнала строба, так же происходит с задержкой. Поэтому строб надо подавать со сдвигом по временной оси только после того, как окончательно установится кодовая комбинация (с учетом всех ее задержек). Эта задержка не может быть определена теоретически и определяется экспериментально при испытании и настройке интерфейса.

При синхронной последовательной передаче данные передаются последовательно (бит за битом) и сопровождаются синхросигналом или стробом. Эта передача характерна для низкоскоростных периферийных устройств, расположенных на незначительных расстояниях от компьютера (несколько метров). При больших расстояниях передачи требуется использование мощного генератора синхроимпульсов и средства борьбы с затуханием сигнала, что весьма дорого.

Синхронная последовательная передача на расстояния в десятки и сотни метров строится с использованием двух генераторов синхроимпульсов или стробов. Один из генераторов работает на передающей стороне, а второй на приемной. При этом генератор на приемной стороне запускается генератором передающей стороны и имеет с ним одинаковую частоту.В этом случае передача строится так, как

показано на временной диаграмме (Рис.3,а).

Рис. 3. Синхронная последовательная передача

В таком интерфейсе верхний уровень сигнала принимается за «0», нижний — за «1». В состоянии холостого хода информационный бит на линии сигнала принимается за «0».

Передача строится следующим образом:

1. Переход линии интерфейса из «0» в «1» используется приемником для запуска генератора на приемной стороне, который начинает работать с генератором на передающей стороне (первый сигнал SYN).

 

2. Приемник распознает передаваемый второй SYN, после чего принимает первый бит данных (В1).

3. Постоянство интервала передачи (и приема) Тс обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами ГИа, ГИб в передатчике и приемнике, которые должны иметь высокую стабильность частоты.

4. При нарушении синхронности генераторов передатчик вставляет в последовательность битов символ SYN, то есть останавливает передачу и прекращает работу генератора ГИб.

5. Затем передачей двух синхросигналов процесс возобновляется с прерванного места.

Таким способом можно передать значительное количество информации, заключенной между синхросигналами.

При асинхронной последовательной передаче каждый байтпередаваемой информации обрамляется стартовым и одним или двумя стоповыми битами.
Передача строится следующим образом (Рис. 3, 6):

1. В режиме холостого хода линия находится в состоянии «0» (высокий уровень) - исходное состояние. Стартовый сигнал изменяет состояние линии и служит для запуска генератора в приемнике.

2. Затем передаются 8 битов информации, после чего линия переводится в исходное состояние стоповыми битами; передача прекращается, а генератор на приемной стороне прекращает работу.

3. Если следующего байта на передающей стороне нет, то линия остается в состоянии холостого хода.

4. Если следующий байт в передатчике есть, то передатчик выдает на линию стартовый бит и передача следующего байта осуществляется аналогично.

Такого рода передача характерна для принтеров.
Параллельная асинхронная передача обычно в интерфейсах периферийных устройств не используется, так как это сильно удорожает интерфейс. Такая передача характерна для устройств, расположенных на материнской плате.

Параллельная синхронная передача строитсяпо принципу «запрос-ответ», которую называют также «передачей с квитированием».

Суть передачи с квитированием заключается в следующем:

1. Источник выдает на шину данных параллельный код.

2. С некоторой задержкой на линию строба передается стробирующий сигнал,позволяющий приемнику считать с линий интерфейса код данных.

З. После того, как код данных считан приемником, последний вsдает на линию «ответ» - сигнал о том, что данные приняты.

Передача с квитированием позволяет подстроить темпы обмена под каждое конкретное устройство и обеспечить в ряде случаев очень высокую скорость передачи данных. Кроме того, передача с квитированием обеспечивает высокую надежность и достоверность передачи.

 

Рис. 4.2. Одномагистральная структура

В таких ЭВМ мультиплексный канал отсутствует, его функции выполняет процессор. В качестве селекторного канала применяется контроллер прямого доступа к памяти с ограниченными функциями канала.

ВВЕДЕНИЕ

Данный курс лекций посвящен периферийным устройствам ЭВМ.

Периферийные устройства - наиболее динамично развивающаяся область информационных технологий. Постоянно появляются принципиально новые устройства, как с точки зрения функций ими выполняемых, так и с точки зрения технологий их изготовления и работы. На смену магнитным дискам пришли оптические устройства, механические запоминающие устройства вытесняются более надежными, компактными и бесшумными устройствами на основе флэш-памяти. Практически любое устройство, имеющее разъем USB может рассматриваться, как периферийное. Это может быть видеокамера, ауди плеер, сотовый телефон, игровая приставка, тренажер, мультимедиа проектор, интерактивная доска и т.д. На смену игольчатым принтерам пришли струйные и лазерные принтеры, причем ежегодно происходит смена моделей ведущих фирм производителей. Отдельно отметим такие перспективные направления, как 3D принтеры и гибкие дисплеи.

Большое внимание будет уделено системам ввода-вывода и интерфейсам. Роль и значение их в последнее время существенно возросли. Это связано, прежде всего, с быстрым ростом производительности микропроцессоров. Частота их работы выросла и составляет сотни мегагерц. Постоянно увеличивается разрядность: 32, 64, 128, 256 бита. Растет емкость оперативных запоминающих устройств, достигая сотен мегабайт и гигабайт. Уменьшается время доступа ОЗУ, составляя единицы и доли наносекунд. Увеличивается количество ПУ, подключаемых к компьютеру, растет их скорость работы. Емкость модуля жестких дисков уже составляет терабайты. Увеличивается объем графической информации, выводимый на монитор, широко используется трехмерная графика, «живое видео».

Все это требует постоянного увеличения скорости передачи информации и такой организации взаимосвязи устройств в вычислительной системе, которая минимизирует потери процессорного времени и равномерно загружает работой все устройства компьютера.

Именно поэтому рассматриваются функции систем ввода-вывода и интерфейсов в вычислительных системах, принципы их построения и функционирования.

 

 

Лекции ориентированы на студентов, специализирующихся

в области вычислительной техники и программирования.

Знание интерфейсов позволяет разработчику аппаратуры более грамотно подойти к выбору варианта, соответствующего поставленной задаче.

Материалы курса необходимы системным интеграторам для грамотного подбора типов устройств и оптимального объединения их в систему.

Сведения из учебного курса помогут системным программистам при разработке собственных драйверов или адаптации чужих разработок.

В данном курсе лекций мы подробно рассмотрим все аспекты области периферийных устройств, тенденции развития, новейшие разработки.

Особое внимание будем уделять физическим принципам на основе которых реализовано то или другое внешнее устройство.

Однако начнем с истории развития, без знания которой нельзя понять и оценить тенденции развития. Кроме того основные принципы и методы построения систем открытые в то время используются до сих пор, естественно с учетом современных реалий.

 

ЛЕКЦИЯ 1
РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ
И РАЗНОВИДНОСТИ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Эволюция принципов обмена информацией в ЭВМ

ЭВМ первого поколения работали с устройствами ввода-вывода (УВВ), имевшими невысокие скоростные характеристики и использовавшими бумажные носители информации (перфокарты и перфоленты). Вывод данных осуществлялся, в основном, с помощью медленных АЦПУ (алфавитно-цифровых печатающих устройств).

При вводе-выводе центральное устройство ЭВМ (процессор) брал на себя все функции по управлению обменом и не мог использоваться для решения задач. В ЭВМ 1-го поколения использовался центрально-синхронный принцип управления вводом-выводом.

Длительность решения любой задачи в таких ЭВМ может быть оценена выражением:

Тр = (аоТо + аввТвв)n, где:

ао — относительная доля арифметико-логических операций в программе;

То — среднее время операций обработки данных;

авв — доля операций ввода-вывода в реализуемой программе; Твв — среднее время выполнения операций ввода-вывода;

n — общее количество выполняемых команд программы.

В ЭВМ 2-го поколения появились новые идеи организации процесса вычисления и последовавшие за этим новые технические решения:

а) прерывание вычислительного процесса;
б) мультипрограммный способ работы ЭВМ;
в) элементы операционных систем;
г) алгоритмические языки высокого уровня.

Все это потребовало увеличения производительности ядра ЭВМ (процессора и памяти) и существенного роста скоростных характеристик УВВ.

На повестку дня встали вопросы, связанные с коренным пересмотром принципов организации ввода - вывода (обмена данными). Тем более что в это время значительно увеличились скоростные характеристики ряда периферийных устройств (ПУ) и появились новые ПУ (графопостроители, НМЛ, быстрые принтеры).

В ЭВМ 3-го поколения была сделана удачная попытка увеличить общую производительность ЭВМ за счет двух основных факторов:

· Совмещение во времени операций ввода-вывода с операциями обработки данных процессором.

· Обеспечение одновременного ввода-вывода с нескольких ПУ.

Данная задача была решена путем построения ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода (СВВ). Структура такой ЭВМ приведена на Рис. 1.

Рис. 1.Структура ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода.

Использовались следующие обозначения:

· Ядро ЭВМ, куда входят: ПР — процессор, ОП — оперативная память, УУ — устройство управления.

· МК — мультиплексный канал.

· СК — селекторный канал.

· ПУ — периферийные устройства:
МП — «медленная» периферия, БП — «быстрая» периферия.

В приведенной на Рис. 1 структуре были реализованы два основных режима:

· мультиплексный режим — обслуживание «одновременно» нескольких ПУ с помощью мультиплексного канала (МК) (МК в системе не более одного);

· монопольный режим — обслуживание одним селекторным каналом (СК) только одного ПУ, подключенного к нему (количество СК до 8).

Наряду с ЭВМ с канальной структурой системы ввода-вывода, получили развитие ЭВМ, использующие шинную структуру системы обмена данными между компонентами ЭВМ (ПР, ОП, ПУ). Такие ЭВМ получили название мини или микро ЭВМ. Их появление не в последнюю очередь диктовалось требованиями использовать ЭВМ в управлении производственными и технологическими процессами.

Они строились по модульному принципу — каждое устройство представляло собой отдельный, конструктивно законченный модуль. Структура такой системы приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Структура модульной системы.

- П — процессор (микропроцессор — МП). - ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
- ПЗУ — постоянное запоминающее устройство. - ОШ — общая шина (системная магистраль).
- ИМ — интерфейсный модуль (контроллер). - ПУ — периферийное устройство.

Основные принципы обмена информацией в ЭВМ такого типа:

· Только два устройства в каждый фиксированный момент времени могут обмениваться информацией (МП — ОП или МП — ПУ или ПУ-ОП).

· Управление обменом (управление Общей Шиной) берет на себя активное устройство или задатчик. Задатчиком может быть МП или ПУ.

· Обмен осуществляется с использованием асинхронного принципа (запрос — ответ).

· Осуществляется механизм арбитража между устройствами.

· Реализуются три способа обмена данными через интерфейс ОШ, а именно:

— простой программно-управляемый обмен;

— программно-управляемый обмен с использованием

прерываний;

— обмен с использованием прямого доступа к памяти

(ПДП).

 

В настоящее время процесс развития и совершенствования принципов обмена информацией идет по многим направлениям, основные из которых можно сформулировать следующим образом:

· Построение многошинных структур организации ЭВМ и СВВ.

· Повышение скорости обмена на основе построения т.н. «быстрых» интерфейсов.

· Применение МП, БИС и СБИС в компонентах СВВ, позволяющее повысить «интеллектуальность» ПУ.

· Переход от «индивидуальных» устройств к коллективным ПУ.

· Переход от централизованной обработки данных к децентрализованной (сети ЭВМ).

· Использование новых физических принципов в построении ПУ (лазерный, струйный, термический процессы, квантово механические эффекты, нанотехнологии и др.).

· Создание мультимедиа систем — комплекса аудиовизуальных средств обмена информацией.