Глава 5. Организация ввода-вывода

 

Система ввод/вывода

Назначением системыввода-вывода является обеспечение обмена информацией между внешними (периферийными) устройствами и оперативной памятью. К внешним устройствам относятся:

· внешняя память (гибкие и жесткие магнитные диски, оптические и магнитооптические диски, магнитные ленты, флэш-память и т.д.),

· устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер и т.д.),

· устройства вывода (принтер, монитор, графопостроитель и т.д.),

· устройства коммуникации, обеспечивающие связь с другими ЭВМ или управляемыми объектами, включая удаленные объекты.

 

Теоретические основы операций ввода/вывода

Организация ввода/вывода – это передача данных между оперативной памятью (ОП) и периферийными устройствами (ПУ).

В некоторых случаях в понятие операции ввода/вывода включают обменинформацией между ПУ и процессором (ПР), а также между ПУ и ПУ. Но из-за проблем унификации процедур ввода/вывода, необходимости буферизации передаваемой информации, малого объема внутренней памяти процессора (8 - 16 РОН) обмен информацией между ПУ и ПР, а также между ПУ и ПУ как самостоятельные операции ввода/вывода используются крайне редко. Многие вычислительные системы допускают обмен информацией только с использованием ОП.

Управление вводом/выводом относится к нижнему физическому уровню управления средствами вычислительных систем. На базе операций этого уровня реализуются процедуры верхнего уровня управления, например, процедуры команд операционных систем и программных оболочек: сохранить файл, загрузить файл, копировать файл и т.д.

Для каждого типа ПУ используется устройство управления (контроллер, адаптер), алгоритмы работы которого учитывают индивидуальные особенности данного типа ПУ.

Организация управления вводом/выводом связана с решением ряда задач. Решения части из этих задач зависят от физики работы конкретных ПУ и реализуются на уровне обмена физическими сигналами (в определенные моменты времени формируются импульсы тока или напряжения определенной амплитуды и длительности). На этом уровне решаются следующие проблемы:

· запись информации во внутреннюю память ПУ и чтение из нее,

· управление адресацией внутренней памяти ПУ,

· передача информации между ПУ и контроллером и, частично, контроль процесса ввода/вывода.

Решения другой части задач не зависят от физики работы отдельных ПУ и реализуются на уровне обмена логическими сигналами. На этом уровне решаются проблемы:

· задания кода операции и адреса блока данных в ПУ,

· передачи данных между ПУ и ОП,

· синхронизации передачи данных,

· контроля процесса ввода/вывода,

· активизации и окончания работы ПУ.

Для организации ввода/вывода в контроллерах устройств ввода/вывода предусмотрены специальные регистры (основными являются регистр данных RD и регистр управления RU), а в системе команд – команды ввода/вывода.

Управление вводом/выводом на этом уровне может быть реализовано двумя способами:

· с использованием средств процессора.Такой ввод-вывод называется программным,

· с использованием специальных устройств управления (процессоров ввода/вывода, устройств прямого доступа к памяти ПДП). Такой ввод-вывод называется аппаратным (внепроцессорным, с занятием цикла, с прямым доступом к памяти).

Программный ввод/вывод

При программном вводе/выводе контроллерами управляет ПР при помощи программы (драйвера) ввода/вывода. Программы этого типа учитывают конструкцию контроллера и используемого в вычислительной системе ПР и обычно входят в базовую систему программ управления вводом/выводом на физическом уровне (в РС – BIOS ). Программы BIOS выполняют роль интерфейса между программами операционных систем и используемой аппаратурой вычислительной системы и обеспечивают переносимость операционных систем между ЭВМ с одинаковыми процессорами.

При программировании процедур ввода/вывода учитывается адресация регистров контроллера устройств ввода/вывода. Порты могут быть отображены на общее адресное пространство оперативной памяти (адресация портов большинства архитектур процессоров) или на отдельное номерное пространство портов ввода-вывода.