Взаимодействие через управляющее устройство

 

Взаимодействие между машиной и другими устройствами обычно осуществ­ляется через промежуточное устройство, называемое контроллером. Если в каче­стве примера взять персональный компьютер, то контроллер будет представлять собой ту монтажную плату, которая вставляется в разъем на основной плате компьютера (материнской плате). С помощью кабелей платы контроллеров со­единяются с периферийными устройствами, установленными в самом компьюте­ре, а соединение с внешними устройствами осуществляется через промежуточ­ные разъемы, установленные на задней стенке корпуса компьютера.

Каждый контроллер обеспечивает взаимодействие с определенным видом уст­ройства. Некоторые из них разработаны для взаимодействия с монитором, дру­гие отвечают за взаимодействие с дисководами, а есть контроллеры, поддержи­вающие взаимодействие компьютера с устройствами чтения компакт-дисков. По­этому иногда вместе с новым периферийным устройством приходится покупать и новый контроллер. Задача контроллера состоит в преобразовании сообщений и данных, которыми обмениваются компьютер и периферийное устройство, в тот формат, который будет совместим с внутренними характеристиками самого ком­пьютера и подключенного к нему устройства. Подобные контроллеры часто представляют собой небольшие специализированные компьютеры с собственной основной памятью и центральным процессором, который выполняет программу, управляющую всеми действиями данного контроллера.

Когда контроллер вставляется в один из разъемов на материнской плате компьютера, он электрически подключается к шине, соединяющей ЦП компьютера и его основную память (рис. 2.8). В месте своего подключения каждый контроллер осуществляет непрерывное наблюдение за сигналами, посылаемыми из ЦП машины, и отвечает на те, которые адресованы непосредственно ему. Более того когда контроллер подключен к шине компьютера, он может посылать сигналы чтения и записи непосредственно в основную память машины, используя для этого те микросекунды, когда ЦП не обращается к шине.

Подобный тип доступа контроллера к основной памяти называется прямым доступом к памяти (DMA — direct memory access) и является важным средством повышения производительности компьютера. Если в компьютере контроллер дисковых устройств обладает прямым доступом к памяти, то ЦП может посылать ему представленные в виде битовых комбинаций запросы, требующие считать с диска определенный сектор и поместить прочитанные данные в указанный блок ячеек основной памяти. Такой блок ячеек называется буфером. В общем случае буфер представляет такое местоположение, где одна система может оставить данные, к которым позднее сможет получить доступ другая система. Пока контроллер будет выполнять затребо­ванную операцию считывания данных, ЦП может продолжать обработку других за­даний. Это означает, что в одно и то же время будут выполняться два разных дейст­вия. ЦП будет выполнять программу, а контроллер в это время будет обеспечивать передачу данных между дисковым устройством и основной памятью компьютера. Такой подход позволяет избежать простоя вычислительных ресурсов во время вы­полнения относительно медленного процесса передачи данных.

Рис 2.8 Подключение контроллеров к шине компьютера

 

Однако механизм DMA оказывает и определенный отрицательный эффект, по­скольку при этом увеличивается количество взаимодействий, осуществляемых через шину компьютера. Битовые комбинации должны перемещаться между ЦП и основ­ной памятью, между ЦП и каждым из контроллеров, а также между каждым из контроллеров и основной памятью компьютера. Координация всей этой деятельно­сти, осуществляемой через шину компьютера, является важнейшей задачей конст­руирования. Даже в самых лучших проектных решениях центральная шина может превратиться в источник помех в работе компьютера, возникающих из-за того, что ЦП и контроллеры соревнуются между собой за доступ к шине.

Взаимодействие центрального процессора компьютера и каждого из контроллеров осуществляется по тем же принципам, что и взаимодействие ЦП и основной памяти. Чтобы послать некоторую битовую комбинацию контроллеру, эта комбинация должна быть сначала создана в одном из регистров общего назначения процессора. Затем ЦП выполняет команду, подобную STORE, которая позволяет "записать" эту комбинацию в контроллер. Следовательно, единственное отличие между записью битовой комбинации в основную память и пересылкой битовой комбинации в контрол­лер заключается только в месте назначения для доставки комбинации. И действи­тельно, в машинном языке многих компьютеров выполняемая в обоих этих случаях операция имеет один и тот же код. Как правило, при этом схемы основной памяти машины разрабатываются таким образом, чтобы игнорировать ссылки на определен­ные ячейки памяти, тогда как контроллеры конструируются так, чтобы реагировать только на ссылки к этим ячейкам. Поэтому когда ЦП посылает сообщение на шину для записи данных в эти особые ячейки памяти, их получает соответствующий кон­троллер, а не основная память компьютера. Аналогичным образом, когда ЦП пыта­ется считать данные из этих ячеек памяти, например с помощью команды LOAD, он получит битовую комбинацию не из основной памяти, а из соответствующего кон­троллера. Такая схема взаимодействия называется отображением ввода/вывода в память, поскольку различные устройства ввода/вывода компьютера представлены для ЦП как определенные ячейки памяти. Адреса памяти, выделенные контролле­рам при использовании подобной схемы, называются портами, каждый из которых представляет определенное "местоположение", через которое информация попадает в машину или выводится из нее (рис. 2.9).

Рис. 2.9 Концептуальная схема метода отображения ввода/вывода в память

 

Передача данных между двумя компонентами компьютера редко бывает односторонним действием. На первый взгляд может показаться, что принтер является устройством, которое способно только получать данные, однако в действительности оно способно посылать данные обратно в компьютер. В самом деле, компьютер способен подготавливать символы и передавать их принтеру намного быстрее, чем принтер сможет их печатать. Если компьютер будет передавать данные на принтер вслепую то принтер быстро начнет отставать, что может привести к потере данных. Поэтому такой процесс, как печать документа, предусматривает постоянный двусторонний диалог, в процессе которого компьютер и периферийное устройство обмениваются информацией о текущем состоянии устройства.

Такой диалог часто предусматривает использование слова состояния устройства, т.е. определенной битовой комбинации, которая генерируется периферийным устройством и посылается его контроллеру. Биты в слове состояния отражают текущее состояние устройства. Если вернуться к примеру с принте­ром, то значение младшего бита слова состояния может указывать, что в прин­тере закончилась бумага, тогда как следующий бит в этом слове указывает, го­тов ли принтер к приему очередной порции информации. В зависимости от вы­бранной системы, контроллер либо сам реагирует на подобную информацию о состоянии устройства, либо передает ее на обработку в ЦП. В каждом случае ли­бо программа в контроллере, либо программа, выполняемая центральным про­цессором, должна быть разработана так, чтобы задержать пересылку данных на принтер до тех пор, пока от него не будет получена соответствующая информа­ция о состоянии.

 

Скорость передачи данных

 

Скорость, с которой биты передаются от одного вычислительного компонента к другому, измеряется в битах в секунду (бит/с). Широкое распространение также получили такие единицы измерения, как Кбит/с (килобит в секунду, рав­ный 1000 бит/с), Мбит/с (мегабит в секунду, равный миллиону бит/с) и Гбит/с (гигабит в секунду, равный миллиарду бит/с). В каждом случае максимальная скорость передачи данных зависит от типа используемой линии связи и техноло­гии, примененной для ее реализации.

Существуют два основных типа соединений: параллельный и последователь­ный. Указанные термины определяют способ, который используется для переда­чи отдельных битов в комбинации по отношению друг к другу. При параллель­ной передаче несколько битов передаются одновременно, каждый по отдельной линии связи. Такой способ позволяет повысить скорость передачи данных, одна­ко требует использования относительно сложных соединений. В качестве приме­ров таких соединений можно привести внутреннюю шину компьютера и боль­шинство соединений между компьютером и его периферийными устройствами, например устройствами массовой памяти или принтерами. В этих случаях ско­рость передачи данных измеряется обычно в Мбит/с и даже выше.

 

Конструкция шины

 

Конструирование шины компьютера всегда было очень сложной задачей. Например, проводники в плохо разработанной шине способны вести себя как небольшие антенны и ловить сигналы различных передач (радио, телевидение и т.д.), что вызывает нарушения во взаимодействиях центрального процессора ком­пьютера, его основной памяти и периферийных устройств. Более того, длина шины (у настольного компью­тера она равна примерно пятнадцати сантиметрам) намного превышает длину "проводников" внутри цен­трального процессора (длина которых измеряется в микронах). Поэтому прохождение сигналов через шину занимает существенно больше времени, чем требуется для передачи сигналов внутри центрального про­цессора. В результате технология изготовления шин находится в постоянной погоне за бурно развиваю­щимися технологиями центральных процессоров. В современных компьютерах используется ряд различных

конструкций шин. Основные отличия этих шин заключаются в объеме передаваемой одновременно инфор­мации, скорости изменения сигналов в шине, а также в физических свойствах соединений между шиной и платами контроллеров. Важнейшими типами используемых в настоящее время шин являются ISA (Industrial Standard Architecture- стандартная промышленная архитектура), EISA (Extended Industrial Standard Architecture - усовершенствованная стандартная промышленная архитектура) и PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение периферийных компонентов).

Различают шины параллельные и последовательные. Параллельные шины представляют собой несколько параллельных линий, каждая из которых за один такт передает один бит, а следовательно, вся шина передает некоторую последовательность бит. В противоположность этому, при последовательной передаче в каждый мо­мент по соединению передается только один бит данных. В результате передача данных происходит медленнее, однако соединение более простое, так как все би­ты последовательно, один за другим, передаются по одной и той же линии свя­зи. Последовательные соединения чаще всего используются для связи между разными компьютерами, где простота соединений позволяет достичь существен­ной экономии ресурсов.

Например, существующие телефонные линии, как раньше, так и сейчас, представляют собой основное средство обеспечения связи между компьютерами. Используемые для этого средства унаследовали от телефонных сетей принцип последовательной передачи данных с помощью звуковых сигналов. Взаимодейст­вие компьютеров через подобные линии связи осуществляется посредством пре­образования исходных битовых комбинаций в звуковые сигналы с помощью специальных устройств, называемых модемами (сокращение от модулятор-демодулятор). Затем полученные звуковые сигналы последовательно, один за другим, посылаются по телефонным линиям, после чего на приемной стороне вновь преобразуются другим модемом в битовые комбинации.

На практике простое представление битовых комбинаций в виде звуковых сигналов различной частоты (что называется частотной манипуляцией) исполь­зуется только при низкоскоростных передачах со скоростью до 1200 бит/с. Для того чтобы добиться скорости 2400 бит/с, 9600 бит/с и выше, модем комбиниру­ет изменения частоты тона, его амплитуды (громкости) и фазы (степени задерж­ки передачи сигнала). А для достижения еще более высоких скоростей передачи данных часто применяются способы сжатия данных, что позволяет получить скорость передачи до 57,6 Кбит/с.

Такая скорость передачи данных является предельной для обычных телефонных линий, хотя этот уровень уже не удовлетворяет запросы современных пользователей. Время, необходимое для передачи обычной фотографии (файл, размером приблизи­тельно в один мегабайт), при скорости 57,6 Кбит/с измеряется в минутах. В резуль­тате передача видеоинформации со скоростью, соответствующей скорости ее про­смотра, оказывается практически невозможной. Поэтому разработка новых техноло­гий межкомпьютерной связи имеет весьма важное значение. В качестве примера можно привести разработку оптоволоконного кабеля, допускающего передачу дан­ных со скоростью, измеряемой в сотнях Мбит/с и даже Гбит/с.

 

Другие типы архитектуры компьютеров

 

Для расширения кругозора целесообразно рассмотреть некоторые варианты архитектуры построения компьютеров, отличающиеся от той архитектуры, речь о которой шла в предыдущих разделах этой главы.