Основные типы структуры связей.

Несмотря на большое разнообразие вычислительных систем, существует только три основных типа связей между центральной частью и каналами ввода-вывода. В структурах первого типа («канал - центральный процессор») каналы подключаются к центральному процессору (рис. 25), и информация из канала поступает в процессор (процессор фактически управляет обменом между памятью и каналами). В структурах второго типа («канал -основная память») все данные передаются непосредственно на входы основной памяти, в которой они могут накапливаться для обработки процессором или для выборки на какое-либо устройство (рис. 26). В структурах третьего типа («канал - системный контроллер») предусматривается центральный узел коммутации: все передачи данных к периферийным устройствам, центральным процессорам и главной памяти, а также все передачи данных от них осуществляются через и под управлением системного контроллера (рис. 27).

В конкретных вычислительных системах устройства, имеющие одинаковые функции, могут отличаться с точки зрения деталей их функционирования, а также в названиях. На рис.25 - 27 изображены основные типы структур без каких-либо их деталей.

В большинстве традиционных систем, в особенности однопроцессорных, каналы ввода-вывода подключены непосредственно к центральному процессору, при этом основная память часто конструктивно совмещается с процессором. На рисунке 25 представлена структура с непосредственным подключением трех независимых каналов к центральному процессору, с которым конструктивно совмещена основная память.

Основным достоинством такого типа структуры является то, что требуется наименьшее количество оборудования и что стоимость оказывается также наименьшей. Системы со структурой «канал - центральный процессор» наиболее целесообразно применять в тех случаях, когда требования к ресурсам системы должны или могут быть определены заранее и когда они не меняются в динамике работы. Это определяется тем обстоятельством, что все функции по управлению сосредоточены в процессоре (данные поступают в основную память и из основной памяти под управлением программы, выполняемой центральным процессором). Основной областью применения систем, в которых каналы подключены к центральному процессору, является пакетная обработка, которая в настоящее время занимает главное место при использовании вычислительных машин.

Основным недостатком структуры «канал - центральный процессор» является требование повышенной производительности центрального процессора, которое вытекает из необходимости быстрой обработки случайного потока прерываний. Этот недостаток влечет несколько других недостатков. Имеет место жесткое ограничение на число подключаемых каналов с точки зрения их эффективного использования, особенно при одновременной работе, так как при большом числе каналов процессор большую часть времени затрачивает на обслуживание прерываний, связанных с вводом и выводом. Кроме этого, при обработке со сложным взаимодействием процессов и при работе систем с виртуальной памятью типичным является положение, когда возникает большое число не планируемых запросов на ввод-вывод. В этих условиях при использовании систем с подключением каналов к центральному процессору необходима такая операционная система, которая бы компенсировала недостатки структуры. Наконец, ограничение на число каналов приводит, естественно, к ограничению числа обслуживаемых периферийных устройств.

Проблема ограничений на число каналов и на число периферийных устройств может быть решена во многих случаях путем введения подканалов или путем совместного использования каналов. Для повышения скорости обработки и пропускной способности системы требуется более тщательное и квалифицированное программирование и обоснованное распределение приоритетов между периферийными устройствами.

Рассмотрим структуру типа «канал - основная память» (рис. 26). В этом случае имеется прямой независимый доступ к основной памяти, которая реализуется конструктивно как отдельное устройство в виде двух или более компонент вычислительной системы. Запись данных в основную память и считывание их из нее осуществляются, логически и физически, без непосредственного вмешательства центрального процессора. Все основные части системы, осуществляющие обработку и передачу информации (центральные процессоры, процессоры ввода-вывода и контроллеры ввода-вывода), представляют собой устройства, подключенные к соответствующим входам модулей основной памяти. Они работают независимо друг от друга. Эти устройства, с одной стороны, имеют дело с отдельными входами основной памяти, а с другой стороны, - с периферийными устройствами.

Главным достоинством данной структуры является одновременность операций ввода-вывода и вычислений благодаря независимому доступу к основной памяти. Разделение ввода-вывода и вычислений позволяет не только увеличить число каналов, с которыми может работать система, но и разгружает центральный процессор от большого числа прерывании Вследствие такой независимости операций ввода-вывода и вычислений рассматриваемая структура наилучшим образом отвечает требованиям обработки со сложным взаимодействием процессов.

Системы со структурой «канал - основная память» обладают гораздо большей гибкостью по сравнению с системами со структурой «канал - центральный процессор». Наращивание первых для увеличения их мощности достигается простым добавлением компонентов систем, при этом отпадает необходимость в сложных завязках. Например, для увеличения вычислительной мощности обычно добавляется центральный процессор, который подключается к одному из входов основной памяти. В таких случаях ограничения могут быть вызваны только возможностями операционной системы по управлению получаемыми двух- или многопроцессорными системами.

Таким образом, структура типа «канал - основная память» позволяет иметь большое число дополнительных входов памяти, независимых контроллеров ввода-вывода, процессоров ввода-вывода и других устройств. Все эти устройства, расширяя возможности системы, и, в частности, увеличивая ее гибкость, значительно увеличивают стоимость системы. Так например каждый вход памяти должен иметь свой собственный интерфейс и управляющую логику, а процессор или контроллер ввода-вывода иметь интерфейс для обеспечения работы канала. Поэтому дополнительные каналы повышают гибкость системы, но и приводят к высокой стоимости системы.

Число входов памяти может быть достаточно большим, однако следует учитывать, что центральный процессор полностью занимает вход памяти или разделяет его с ограниченным числом периферийных устройств. Например, если каждый модуль памяти в системе имеет четыре входа, то один из входов закрепляется за центральным процессором. Три оставшихся входа обычно предоставляются для работы с дисками, лентами и низкоскоросгными устройствами соответственно. В многопроцессорной системе, в которой каждый модуль памяти имеет, например, четыре входа, два входа выделяются центральным процессорам, а периферийные устройства должны совместно разделять два оставшихся входа.

Существуют системы со структурой, которая может рассматриваться как вариант структуры «канал - центральная память». Такие системы имеют два центральных процессора, один из которых выполняет все функции ввода-вывода, а другой - все функции по реализации вычислений (напомним, что такого типа системы рассматривались в п. 1.2). Ясно, что такой подход представляет собой весьма дорогостоящий путь организации вычислительных систем.

Перейдем и системам со структурой «канал - системный контроллер» (рис. 27). В такого типа системах центральным входом дня каналов ввода-вывода, центральных процессоров и модулей основной памяти служит системный контроллер, который управляет доступом к основной памяти как от каналов ввода-вывода, так и от центрального процессора. Этот контроллер является логическим связывающим звеном между основной памятью и центральным процессором и выполняет функции регулирования потоков информации в системе.

Рассматриваемая структура имеет сходство со структурой «канал - основная память» в том смысле, что в обоих случаях доступ к основной памяти со стороны каналов осуществляется без вмешательства центрального процессора. Вместе с тем системный контроллер обеспечивает доступ к основной памяти подобно тому, как это делает центральный процессор в системах со структурой «канал - центральный процессор», т. е. структура «канал - системный контроллер" с этой точки зрения подобна структуре «канал -центральный процессор». Таким образом, структура «канал - системный контроллер» соединяет в себе особенности структур «канал - центральный процессор» и «канал -основная память». При этом, однако, системный контроллер представляет собой самостоятельное функциональное устройство, которое при правильном применении может обеспечить в системе сочетание достоинств двух последних структур.

Основное достоинство структуры «канал - системный контроллер" заключается в логической координации всех системных действий. Центральный процессор имеет все возможности для выполнения вычислений, в то время как контроллер осуществляет жесткое управление системой. Одна из проблем, которая возникает для структуры «канал -центральный процессор», состоит в том, что требуется постоянно взаимодействовать с каналами и, как следствие, обслуживать с привлечением процессора большое число прерываний. Эти прерывания возникают в произвольные моменты времени и их влияние на пропускную способность системы может быть самым различным. С другой стороны, в структуре «канал - основная память» имеются скрытые потери, связанные с постоянным опросом со стороны центрального процессора о том, что произошло в течение последнего цикла его работы.

Системный контроллер не имеет отмеченных выше недостатков. Он освобождает центральный процессор от действий по низкоприоритетным вводам и выводам информации и в то же время обеспечивает постоянную готовность центрального процессора к обработке прерываний. Поскольку системный контроллер может устранить недостатки, обсуждавшиеся выше, структура с системным контроллером может считаться эффективной для выполнения как локальных вычислений, так и вычислений со сложным взаимодействием.

Ввиду того, что стоимость оборудования, составляющего системный контроллер, близка к стоимости центрального процессора, то стоимость системы минимальной конфигурации близка к стоимости двухпроцессорной системы. Кроме этого, алгоритм, управляющий работой системного контроллера, может либо давать преимущества вычислениям перед вводом-выводом, либо наоборот, вследствие чего возникают трудности в балансировке работы системы. Поэтому применение рассматриваемой структуры в ряде случаев может оказаться нерациональным, а эффективность - сильно зависящей от характера решаемых задач.

Существует ряд систем, в которых использованы варианты структуры с системными контроллерами. В некоторых из таких систем эти контроллеры выполняют функции общего интерфейса и управления доступом к памяти. В других системах они выполняют только функции коммутации и не обеспечивают приоритетного доступа к памяти, при этом вое требования обслуживаются в порядке их поступления. Эти системы могут быть настроены как на первоочередное выполнение вычислений, так и на первоочередное выполнение ввода-вывода в зависимости от требований конкретной области применения.

В настоящее время наметилась тенденция в направлении распределенной обработки при помощи групп микропроцессоров. Микропроцессорные компоненты системы, вероятно, не будут крупными фиксированными функциональными устройствами, явно отделенными друг от друга, такими как традиционные устройства управления, арифметико-логические устройства и блоки ввода-вывода. В место этого они будут, по-видимому, динамически перестраиваемыми элементами в целях решения некоторой задачи обработки информации. Например, если данная программа требует большого объема вычислений, то элементы перестраиваются в устройства обработки. Если же, наоборот, требуется больше число операций ввода-вывода, то они перестраиваются в устройства для ввода-вывода. Уже построено несколько микропроцессорных систем с изменяемой структурой. Они занимают промежуточное положение между системами большой и средней производительности. Будущие системы могут быть построены из элементов, имеющих различные возможности -от ограниченных до самых широких. Распространению таких систем будет способствовать простота наращивания элементов, количество которых будет ограничено лишь