АЛУ – арифметико-логическое устройство

АЛУ – арифметико-логическое устройство

УУ – устройство управления

БУР – блок управления регистров

БСОП – блок связи с основной памятью

БРП – блок регистровой памяти

ОП – основная память (ПЗУ или ОЗУ, L2 кэш)

 

(4) Назначение элементов центрального процессора

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

В состав центрального процессора входят:

· устройство управления (УУ);

· арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;

· генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

К основным характеристикам процессора относятся:

· Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

· Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.

· Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

 

 

 

(5) ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ПРОЦЕССОРА

операции

- запись числа в регистр;

- инвертирование содержимого разрядов регистра;

- пересылка содержимого регистров;

- сдвиг содержимого регистра;

- сложение кодов;

- поразрядные логические операции или анализ разрядов;

- операция счета с +1 или с -1 (инкремент или декремент).

Все эти действия выполняются в устройстве, называемом процессором, которое в общем случае состоит из двух устройств - операционного (ОУ) и управляющего (УУ).

ОУ - выполняет указанные элементарные операции.

УУ - управляет ОУ, задавая необходимую последовательность выполнения этих операций.

1) В абсолютном большинстве случаев устройства обработки цифровой информации имеют многоуровневую структуру, т.е. построены по принципу "матрешки". Это означает, что УУ и ОУ могут сами распадаться на пары УУ' и ОУ', которые, в свою очередь, также могут распадаться на соответствующие УУ и ОУ. Все зависит от степени детализации рассмотрения данного цифрового устройства. Этот принцип многоуровневости справедлив для всех устройств ЭВМ.

2) Только самые простейшие процессоры имеют один уровень, и могут быть в чистом виде разложены на УУ и ОУ, состоящие из комбинационных логических схем, способных выполнять элементарные арифметико-логические операции.

3) Понятия микрооперации и микропрограммы относительны и требуют конкретизации уровня рассмотрения процессора, поскольку один такт верхнего уровня может включать в себе несколько тактов нижнего уровня.

4) Для устранения путаницы при изучении основных принципов построения элементарных процессоров будем считать, что:

- процессор имеет один уровень;

- процессор пользуется одной тактовой последовательностью;

- значок АЛУ (рис. 3.2) обозначает комплекс комбинационных схем, способных выполнять двоичное суммирование, сдвиг двоичного числа, простейшие поразрядные логические операции;

- узлы микропроцессора, не относящиеся непосредственно к схеме управления, будем считать вспомогательными узлами АЛУ или, точнее, узлами, обеспечивающими нормальное функционирование АЛУ.

 

(6) Принципы работы процессора.

 

Принцип работы процессора.

Процессор является одним из тех устройств, которые все время должен работать. Процессор ПК не может быть выключен. Даже если на наш взгляд процессор ничего не делает, все равно выполняется какая-то программа.

Процессор работает, по сравнению с другими устройствами компьютера, с наибольшей скоростью. И самыми медленными по сравнению с ним являются внешние устройства, в том числе и человек. Так, например, работая с клавиатурой, человек отправляет в компьютер в среднем один байт в секунду (нажимает на одну клавишу в секунду). Процессор обрабатываеттакую и формацию за 0,000001 секунды. А что же делает процессор в остальное время, если он не может выключаться? А в остальное время он может получать сигналы от мыши, от других компьютеров, от гибких и жестких дисков. Он успевает несколько раз в течение секунды подзарядить оперативную память, обслужить внутренние часы компьютера, отдать распоряжение, как правильно отображать информацию на экране, и выполнить множество прочих дел.

Классификация АЛУ

§ По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

§ По способу представления чисел различают АЛУ:

1. для чисел с фиксированной точкой;

2. для чисел с плавающей точкой;

3. для десятичных чисел.

 

§ По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

§ По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметическо-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

 

Операции в АЛУ

Выполняемые в АЛУ операции можно разделить на следующие группы:

§ операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

§ операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

§ операции десятичной арифметики;

§ операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

§ операции специальной арифметики;

§ операции над логическими кодами (логические операции);

§ операции над алфавитно-цифровыми полями.

(9) Управляющие устройства (УУ).

Управляющее устройство ЦВМ, устройство управления, часть вычислительной машины, координирующая работу всех её устройств, предписывая им те или иные действия в соответствии с заданной

программой. Управляющее устройство вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие требуемую последовательность выполнения операций, контролирует работу машины в различных режимах, обеспечивает взаимодействие человека-оператора с ЦВМ. Структура Управляющее устройство определяется типом ЦВМ и применяемым способом управления вычислительным процессом. При синхронном управлении ЦВМ на выполнение любой из операций отводится заранее определённое время; в таких ЦВМ, как правило, используется одно Управляющее устройство, называется центральным, которое синхронизирует работу машины в целом. При асинхронном способе управления начало выполнения очередной операции определяется завершением предыдущей операции. В асинхронных ЦВМ каждое устройство машины (арифметическое, запоминающее и др.) часто имеет своё местное Управляющее устройство В этом случае центральное Управляющее устройство вырабатывает только основные сигналы управления, задающие режим работы для местных Управляющее устройство, которые в соответствии с этими сигналами организуют функционирование своих устройств.

 

 

(10) УУ с жесткой логикой.

УУ с жесткой логикой строятся на основе жестко заданных связей между его компонентами, реализующих формирование и передачу сигналов управления в требуемой последовательности, учитывая состояние УУ, выполняемую операцию и значения т.н. «осведомительных сигналов», характеризующих результаты выполнения предыдущей операции, а также состояния требуемых компонент операционного устройства. УУ с жесткой логикой не поддаются модификации и при необходимости изменений должны быть полностью заменены.Основное их достоинство – высокая производительность, связанная с формированием управляющих сигналов с помощью комбинационных схем.Управляющие устройства с жесткой логикой представлены координационными схемами, который обеспечивают построение распределения во времени последовательности сигналов управления, в зависимости от кода операции и № такта сигнала синхронизации.При этом учитывается значение осведомительного сигнала от операционного устройства.По ходу операции из Рг команд, дешифратор кода активирует 1 выходную линию, соотв. выполняемой команде. Счетчик тактов запускается с мом. выполнения тек. команды. Дешифратор нового такта активизирует 1 вых. линию, оотв. № такта.В результате устр. обр. упр. сигналов, в зависимости от № такта и вып. команды, с помощью логических схем «и/или», формирует требуемую последовательность управляющих сигналов, инициализирующих выполняемые последовательности МО в операционных устройствах.Недостаток данного устройства – ориентация на выполнение команд, требующих одинакового количества тактов, поэтому для ее исп. необх. «выровнять» все команды по команде, треб. max числа тактов.Команды, треб. min количества тактов – однобайтные команды, или команды с min количеством бит (команды обр. регистров, изм. режимов, команды установки и т.д.).В отличие от них, длинные команды исп. смешанную адрессацию (регистровую и непосредственную, косвенную).Поэтому выравнивание команд приводит к неэф-му исп. памяти.Для повышения эф-ти устр. упр. с ж. л. исп. счетчики тактов, обеспечивающие выполнение требуемого типа команд.В качестве примера рассмотрим управляемое устройство, обеспечивающее выполнение, или поддержку коротких и длинных команд.

§

 

Микропрограммный автомат

С программируемой логикой

 

 

Процессоры ввода-вывода.

Процессоры ввода/вывода обеспечивают повышение скорости передачи данных в серверах, рабочих станциях и подсистемах хранения, позволяют устранить «узкие места» в коммуникационных системах и повысить общую производительность за счет того, что функции управления вводом/выводом с центрального процессора перекладываются на специализированный процессор ввода/вывода.

 

ЦП дает указание процессору В/ВЫВ выполнить хранящуюся в памяти ВМ программу ввода/вывода. Процессор В/ВЫВ извлекает и исполняет команды этой программы без участия центрального процессора и прерывает ЦП только после завершения всей программы ввода/вывода. Процессору ввода/вывода придается собственная локальная память, при этом возможно управление множеством устройств В/ ВЫВ с минимальным привлечением ЦП.

В ВМ с каналами ввода/вывода центральный процессор практически не участвует в непосредственном управлении внешними устройствами, делегируя эту задачу специализированному процессору, входящему в состав КВВ. Все функции ЦП сводятся к запуску и остановке операций в КВВ, а также проверке состояния канала и подключенных к нему ВУ.

В операциях ввода/вывода участвуют три типа устройств:

- процессор (первый уровень управления);

- канал ввода/вывода (второй уровень); тут и процессор ввода\вывода (!!!)

- внешнее устройство (третий уровень).

.

 

 

Интерфейс ЭВМ

В вычислительной системе взаимодействие может осуществляться на пользовательском, программном и аппаратном уровнях. Соответственно, согласно этому, интерфейсы могут существовать как:

Ассоциативная память

В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае понимается не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки

памяти, т.е. побитовый состав записанного двоичного слова.
В регистр маски записывается слово, разрешающее запрос по всем или только некоторым разрядам ассоциативного признака, применение маски позволяет сократить или расширить область поиска.
Поиск информации производится параллельно по всем ячейкам путем сравнения запроса с ассоциативным признаком каждой ячейки.
Результат поиска формирует специальная комбинационная схема, вырабатывающая сигналы, оповещающие об отсутствии слов, удовлетворяющих условиям поиска, о наличии только одного слова, о наличии нескольких слов, имеющих такой ассоциативный признак.
После формирования и обработки оповещающих сигналов схемой управления производится считывание необходимой информации. При записи отыскивается свободная ячейка по значению разряда занятости, в первую найденную свободную ячейку записывается информация.
Ассоциативная память наиболее быстродействующая, но очень дорогая, так как требует введения дополнительно схемы сравнения, позволяющей осуществить поиск, для каждой ячейки памяти. Поэтому такая память обычно не используется в чистом виде, а быстродействующие устройства памяти типа Кэш обычно выполняются как частично ассоциативные.

 

Рис.1. Организация

ассоциативной памяти.

 

 

Стековая память

Стековой памяти - память, образованная из связанных между собой ячеек памяти, в которых информация при записи в стек нового слова смещается вниз (Рис.2). Обмен информацией осуществляется только через верхнюю ячейку памяти. При считывании слов из стека, слово может удаляться из стековой памяти или сдвигаться по кольцу, в зависимости от организации стека. Режим чтения –последним вошел, первым вышел-называют LIFO (Last In First Out).

Аппаратная реализация такой памяти не всегда целесообразна и зачастую стековая память организуется в основной памяти компьютера программно, что позволяет изменять объем стека в зависимости от необходимости. При организации стека в основной памяти выделяется специальный адресный регистр – “указатель стека.”. В указателе стека находится адрес последнего записанного в стек слова. При записи слова в стек адрес вершины стека автоматически уменьшается, при чтении - автоматически увеличивается. Стековая память используется обычно для сохранения состояния текущей программы при обработке прерывания. После выполнения прерывающей программы состояние всех регистров, существовавшие в момент прерывания программы восстанавливается в последовательности, обратной последовательности записи. Можно сохранять в стеке и данные программы, это удобно тем, что при обращении к стеку не требуется указывать в программе адреса ячейки памяти, извлечение информации из стека так же происходит без указания адреса.

Рис.2. Организация стековой памяти.

 

Структура памяти ЭВМ

Как и большинство устройств ЭВМ, память имеет иерархическую структуру. Обобщённая модель такой структуры, отражающая многообразие ЗУ и их взаимодействие, представлена на рисунке.

Все запоминающие устройства обладают различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень иерархии, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

К самому высокому уровню – сверхоперативному – относятся регистры управляющих и операционных блоков процессора, сверхоперативная память, управляющая память, буферная память (кэш-память).
Регистровая память процессора Входит в состав ЦП (регистры управляющих и операционных блоков процессора) и предназначена для временного хранения информации. Она имеет малую ёмкость и наибольшее быстродействие.

Сверхоперативная память. Иногда в архитектуре ЭВМ регистровая память организуется в виде сверхоперативного ЗУ с прямой адресацией. Такая память имеет то же назначение как и РОН, служит для хранения операндов, данных и служебной информации, необходимой процессору.

Управляющая память предназначена для хранения управляющих микропрограмм процессора. Выполнена в виде постоянного ЗУ (ПЗУ) или программируемого постоянного ЗУ (ППЗУ). В системах с микропрограммным способом обработки информации УП применяется для хранения однажды записанных микропрограмм, управляющих программ, констант и т.п.

Буферная память. В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором. Основное назначение кэш-памяти – кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти.

На втором оперативном уровне, более низком, находится оперативная память (ОП), служащая для хранения активных программ и данных, то есть тех программ и данных, с которыми работает ЭВМ.

На следующем более низком внешнем уровне размещается внешняя память.

Внешняя память (ВнП) используется для хранения больших массивов информации в течении продолжительного времени. Обычно ВнП не имеет непосредственной связи с процессором. Обмен информацией носит групповой характер, что значительно сокращает время обмена. ВнП обладает сравнительно низким быстродействием (поиск информации). В качестве носителя используются магнитные диски (гибкие и жёсткие), лазерные диски (CD-ROM) и др.

Рис. 1. Иерархическая структура памяти

 

Стековая организация памяти

Если запись и чтение производится через один и тот же регистр, то такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу "первым вошел - последним вышел" (FILO-First Input, Last Output).

Стековая память также как и ассоциативная, является безадресной, она представляет собой совокупность ячеек, образующих одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись слов всегда производится в верхнюю нулевую ячейку. При этом все ранее записанные слова сдвигаются вниз на одну ячейку. Чтение производится в порядке обратном порядку записи.

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ОЗУ посредством программ операционной системы выделяется часть памяти под стек. На практике часто стековую память организуют, используя обычную адресную память.

Рассмотрим организацию стековой памяти, как памяти, образованной из связанных между собой ячеек памяти, в которых информация при записи в стек нового слова смещается вниз (Рис.2). Обмен информацией осуществляется только через верхнюю ячейку памяти. При считывании слов из стека, слово может удаляться из стековой памяти или сдвигаться по кольцу, в зависимости от организации стека. Режим чтения – последним вошел, первым вышел - называют LIFO (Last In First Out).

Рис.2.Организация стековой памяти.

Аппаратная реализация такой памяти не всегда целесообразна и зачастую стековая память организуется в основной памяти компьютера программно, что позволяет изменять объем стека в зависимости от необходимости. При организации стека в основной памяти выделяется специальный адресный регистр – “указатель стека”. В указателе стека находится адрес последнего записанного в стек слова. При записи слова в стек адрес вершины стека автоматически уменьшается, при чтении - автоматически увеличивается. Стековая память используется обычно для сохранения состояния текущей программы при обработке прерывания. После выполнения прерывающей программы состояние всех регистров, существовавшие в момент прерывания программы восстанавливается в последовательности, обратной последовательности записи. Можно сохранять в стеке и данные программы, это удобно тем, что при обращении к стеку не требуется указывать в программе адреса ячейки памяти, извлечение информации из стека так же происходит без указания адреса.

 

Виды ЗУПВ

На полупроводниках

· Полупроводниковая статическая— ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры. Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Отсутствие необходимости производить «регенерацию». Недостатки — малый объём, высокая стоимость. Благодаря принципиальным достоинствам широко используется в качестве кеш-памяти процессоров в компьютерах.

· Полупроводниковая динамическая — каждая ячейка представляет собой конденсатор на основе перехода КМОП-транзистора. Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижение быстродействия, большое энергопотребление. Процесс регенерации реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или в центральном процессоре. DRAM обычно используется в качестве оперативной памяти (ОЗУ) компьютеров.

На ферромагнетиках

· Ферромагнитная — представляет собой матрицу из проводников, на пересечении которых находятся кольца или биаксы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Достоинства — устойчивость к радиации, сохранение информации при выключении питания; недостатки — малая ёмкость, большой вес, стирание информации при каждом чтении. В настоящее время в таком, собранном из дискретных компонентов виде, не применяется. Однако к 2003 году появилась магнитная память MRAM в интегральном исполнении. Сочетая скорость SRAM и возможность хранения информации при отключённом питании, MRAM является перспективной заменой используемым ныне типам ROM и RAM

 

Системы прерываний

Во время выполнения ЭВМ текущей программы внутри машины и в связанной с ней внешней среде (например, в технологическом процессе, управляемом ЭВМ) могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны машины.

Реакция состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению прерванной программы.

Рассматриваемый процесс, называется прерыванием программ. Принципиально важным является то, что моменты возникновения событий, требующих прерывания программ, заранее неизвестны и поэтому не могут быть учтены при программировании.

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим ЭВМ. Назовем эти сигналы запросами прерывания. Программу, затребованную запросом прерывания, назовем прерывающей программой, противопоставляя ее прерываемой программе, выполнявшейся машиной до появления запроса.

Чтобы ЭВМ могла, не требуя больших усилий от программиста, реализовывать с высоким быстродействием прерывания программ, машине необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название системы прерывания программ или контроллера прерывания.

Основными функциями системы прерывания являются: запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе, а также восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.

Системы ввода-вывода.

Система ввода- вывода служит посредником между процессами вычислительной системы и разнообразными внешними устройствами.

В компьютерной системе каждое устройство ввода-вывода подключено к соответствующему порту. Устройство и порт имеют свои контроллеры – специализированные процессоры для управления ими. Процессор, память и внешние устройства в системе соединены общей системной шиной (наиболее распространена шина PCI). Каждое устройство имеет адрес, используемый командами непосредственного ввода-вывода и ввода-вывода, отображаемого в память.

ОС периодически, с помощью прерываний по таймеру, выполняет опрос всех внешних устройств – проверку их состояния. Возможные состояния: готово к выполнению команд, занято, ошибка.

Контроллер устройства по окончании ввода-вывода генерирует сигнал о прерывании, в результате управление получает обработчик прерывания – модуль ядра ОС. Указатели обработчиков всех видов прерываний собраны в резидентный массив – вектор прерываний.

Для оптимизации ввода-вывода используется прямой доступ к памяти (DMA) – метод организации ввода-вывода, при котором в качестве буфера устройства используется фрагмент основной памяти. Данный метод основан на использовании специальных DMA-контроллеров. DMA позволяет разгрузить процессор, освободив его от работы по пересылки данных для ввода-вывода.

В операционной системе API для ввода-вывода имеет иерархическую структуру. Системные вызовы – верхний уровень – инкапсулируют поведение устройств ввода-вывода. Более низкий уровень – драйверы устройств – скрывают различия между контроллерами устройств от ядра ОС.

Устройства ввода-вывода подразделяются на блочные и символьные, последовательного и произвольного доступа, резервируемое или разделяемое, только для чтения, для записи или для чтения-записи, и различаются по скоростям работы. Блочные устройства выполняют команды вида: прочитать, записать или найти блок с заданным номером. Символьные устройства выполняют команды вида: ввести символ, вывести символ, с программируемой возможностью построчного редактирования.

Сетевые устройства отличаются от блочных и символьных, имеют свой собственный интерфейс, поддерживают распространенные сетевые протоколы, реализуют функцию выбора сетевого пакета.

Часы и таймеры обеспечивают хранение информации о текущем времени, прошедшем интервале времени, периодические прерывания по таймеру.

Ввод-вывод подразделяется на синхронный и асинхронный.

/* Синхронный(блокируемый) ввод-вывод основан на простой, интуитивно понятной парадигме: процесс задерживается, пока ввод-вывод не закончится. Он более прост для использования и понимания, но в силу своей недостаточной эффективности, недостаточен для некоторых применений. Для оптимизации ввода-вывода возврат из системного вызова для ввода-вывода может происходить по мере доступности информации. Применяется пользовательский интерфейс для копирования данных (буферизация). Ввод-вывод также часто реализуется с помощью многопоточности (multi-threading): ввод-вывод выделяется в отдельный поток. Из системных вызовов для ввода-вывода предусмотрен быстрый возврат с выдачей в качестве результата числа байтов, фактически прочитанного или записанного.

Асинхронный ввод-вывод: процесс исполняется одновременно с выполнением ввода-вывода. Вследствие этого, он более сложен в использовании, так как большинство программистов до сих пор привыкли мыслить и реализовывать программы в последовательном стиле. После завершения асинхронного ввода-вывода подсистема ввода-вывода генерирует сигнал (исключение) в процессе, его использующем. Программирование асинхронного ввода-вывода основано на использовании пары операций типа начать асинхронный ввод-вывод и закончить асинхронный ввод-вывод (подождать его результатов). Такая схема чревата ошибками, так как программистам свойственно забывать завершающие действия, парные инициализирующим, если среда разработки им об этом не напоминает. Однако именно асинхронный ввод-вывод обеспечивает наибольшую эффективность.*/

 

Системы ввода-вывода характеризуются следующими свойствами:

— Модульность. Средства современной вычислительной техники проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа, который заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агрегатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя вычислительную машину. Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части машины никаких других изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

— Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, которыми ПУ обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе унифицированный формат сообщения, которое ПУ посылает в ядро о своем состоянии. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ. точнее, в блоках управления ПУ (УПУ).

— Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

— Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор команд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т. п.

 

Основные интерфейсы ЭВМ.

IDE – интерфейс устройств со встроенным контроллером. Используется для подключения внешних накопителей. С внедрением этого интерфейса решается проблема с совместимостью накопителя и ПК. Если раньше приходилось при смене устройства менять контроллер на системной плате, то сейчас достаточно просто подключить устроуство. Скорость интерфейса 1,5-3 Мбайт/с. Наиболее распространен параллельный разъем ATA/IDE, который в последнее время вытесняется параллельным разъемом АТА. IDE-адаптер часто встраивается в системную плату.

 

SCSI (Скази)(интерфейс малых компьютерных систем) – интерфейс системного уровня. Интерфейс позволяет подключать до 7 внешних устройств с контроллерами. Любое устройство может инициировать обмен с другими устройствами. Режим обмена может быть как синхронным, так и асинхронным; данные контролируются по паритету. Данная шина реализуется в виде отдельного шельфа с восмью устройствами, одно из которых отводится для подключения к системной шине.

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 30 метров. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. Интерфейс RS-232-C был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах. Иногда присутствует на современных персональных компьютерах.

 

Интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства). Данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его назвать нельзя. Так, 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерёдного использования нескольких устройств требуется дополнительно применять селектор. Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с.

 

USB («универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник, квадрат. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого. В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

 

ISA (Архитектура промышленного стандарта), другое название AT-Bus. Шина ISA является основной шиной на материнских платах устаревших компьютеров типа PC AT. Максимальная пропускная способность шины ISA не превышает 5,55 Мбайт/с и совершенно недостаточна для современных требований. Через интерфейс ISA раньше подключались практически все компоненты персонального компьютера, такие, как видеокарты, контроллеры ввода-вывода, контроллеры жестких и гибких дисков, модемы, звуковые карты и прочие устройства.

EISA (Расширенная ISA). В разъемы шины EISA можно вставлять как платы для шины ISA, так и для EISA. Платы для шины EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов, а слот имеет расположенный в глубине такой же ряд дополнительных контактов. Максимальная пропускная способность — 32 Мбайт/с. Поддерживает режим управления шиной со стороны любого из устройств, установленных в разъем (Bus Mastering). На современных материнских платах шина EISA уже не встречается.