Программно - управляемый ввод - вывод

При программно - управляемом вводе – выводе данные между ПУ и ОП пересылаются через процессор и под его управлением.

Если ПУ быстродействующее и работает в темпе процессора (т.е. успевает выдавать или принимать данные со скоростью выполнения процессором команд программы), то такой программно-управляемый ввод-вывод называется синхронным. При проведении операции обмена с такими ПУ процессор не осуществляет каких либо дополнительных действий, кроме записи в регистр данных ПУ или его чтения.

Однако часть ПУ является менее быстродействующими чем процессор (например- печать и клавиатура) и им требуется большее время для ввода и вывода, нежели процессору для выполнения одной команды.

Ввод-вывод с таких ПУ называется асинхронным. Для исключения потерь информации при асинхронном вводе- выводе, процессор при начале обмена проверяет готовность устройства ввода-вывода к обмену, путем считывания содержимого его регистра состояния. Регистр состояния должен содержать информацию о функционировании устройства ввода-вывода и является дополнительным регистром асинхронного ПУ. Регистры данных и состояния таких ПУ подключаются к ОШ и каждому из них присваиваются уникальные адреса. При неготовности ПУ к обмену процессор выполняет другие действия.

Процесс взаимодействия процессора с асинхронными УВВ проиллюстрирован на рисунке 6.2.

 

Рисунок 6.2 - Взаимодействие процессора с асинхронными УВВ

Асинхронный ввод-вывод приводит к непроизводительным затратам времени работы процессора или к простоям ПУ. Увеличение в программе количества команд анализа состояния ПУ увеличивает длину программы и время работы процессора, уменьшение- к увеличению простоя ПУ. Тем не менее, такой способ ввода-вывода широко используется в ЭВМ.

 

Ввод - вывод с прерыванием программы

При вводе-выводе по прерыванию используется уже рассмотренный подход: по сигналу ЗПр процессор переходит к выполнению программы (подпрограммы), осуществляющей ввод-вывод. ПУ само информирует процессор о своей готовности, при этом процессор не тратит времени на анализ готовности ПУ (т.е. в программе нет соответствующих команд). Он осуществляет выполнение основной программы. При появлении сигнала готовности (ЗПi) от ПУ, процессор прерывает выполнение основной программы и начинает выполнение подпрограммы обслуживания ПУ. По её завершению процессор продолжает выполнение прерванной программы. Взаимодействия процессора с УВВ при вводе- выводе по прерыванию показано на рисунке 6.1.

В связи с тем, что при таком способе ввода-вывода процессор прерывает выполнение основной программы, его называют вводом-выводом по прерыванию.

Подсистема ЭВМ, реализующая ввод-вывод по прерываниям ПУ называется подсистемой прерывания. При наличии у неё нескольких входов прерываний ЗПi от ПУ (см. рисунок 6.1) она так же выдаёт процессору информацию о номере входа, вызвавшему прерывание программы.

Ввод- вывод по прерываниям позволяет снизить время простоя ПУ и непроизводительной работы процессора, однако это достигается ценой усложнения аппаратной части ЭВМ.

 

Ввод - вывод в режиме ПДП

Недостатком программного ввода-вывода является то, что все операции ввода-вывода осуществляются через процессор. Это приводит к уменьшению скорости ввода- вывода, особенно ощутимой при пересылке больших массивов информации, например, при вводе кода программы в ОП с ВЗУ. Для пересылки каждого байта данных в асинхронном режиме в программе, кроме команд проверки готовности ПУ к обмену и пересылки данных, должны быть также команды для изменения адреса ячейки памяти и отслеживания количества пересылок. При использовании ввода-вывода по прерываниям издержки еще больше, поскольку приходится сохранять содержимое счетчика команд, регистра признаков, части РОНов и другую информацию о состоянии процессора на момент прихода сигнала запроса прерывания.

При наличии в составе ЭВМ подсистемы ПДП (DMA-Direct Memory Access) обмен данными между ПУ и ОП осуществляется без постоянного участия процессора. При выполнении ПДП процессор отключается от управления системой, в связи с чем подсистема ПДП должна иметь в своём составе схемы для управления ОШ. Для осуществления блочной передачи между ВЗУ и ОП процессор заносит в подсистему ПДП данные о номере первой ячейки ОП, с которой начнётся обмен, размер передаваемого блока и направление изменения адресов ячеек ОП (уменьшение или увеличение). После этого подсистема ПДП (см. рисунок 6.1) выдаёт процессору сигнал запроса ЗЗх (HOLD) на захват ОШ (запрос на право управления ОШ). Реакцией процессора на этом сигнал является выработка сигнала подтверждения захвата ПЗх ОШ (HLDA) и перевод большинства своих выходов в высокоимпедансное состояние. Вслед за этим подсистема ПДП формирует адрес ячейки ОП, сигналы записи и чтения ОП, и организует обмен с ВЗУ. ВЗУ при готовности приема или передачи очередного байта или слова информации вырабатывает сигнал готовности данных DRQ, ответом которому со стороны подсистемы ПДП является сигнал подтверждения приема данных DACK.

При перемещении каждого очередного байта, значение внутреннего счетчика в подсистеме ПДП (контроллере ПДП -КПДП), указывающего на размер передаваемого блока, уменьшается на 1. При обнулении счетчика цикл ПДП заканчивается и управление ОШ возвращается процессору. Для этого КПДП переводит сигнал HOLD в неактивное состояние.

Скорость обмена в режиме ПДП определяется пропускной способностью оперативной памяти и ОШ и может достигать нескольких Мбайт/с.

Интерфейсы

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется через сопряжения, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. Интерфейс -это совокупность линий, схем и алгоритмов, предназначенных для осуществления обмена информацией между устройствами ЭВМ. Более короткое определение: интерфейс- это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации взаимодействия различных устройств ЭВМ между собой.

Для обеспечения возможности изменения конфигурации ЭВМ интерфейсы унифицирует, т. е. делают единым для всех или части устройств, которые могут быть подключены к нему. Это дает возможность легкого изменения конфигурации ЭВМ.

В высокопроизводительных ЭВМ используют несколько различных интерфейсов, значительно отличающихся по характеристикам. При такой организации возможно параллельная пересылка нескольких данных. Благодаря этому системы с несколькими интерфейсами работают быстрее, но стоимость их выше.

 

Характеристики интерфейсов

Интерфейсы имеют следующие характеристики:

- пропускная способность- максимальное количество информации, передаваемой по интерфейсу в единицу времени;

- максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;

- общее число линий интерфейса;

- ширина шин- число бит или байт информации, передаваемых параллельно через интерфейс за один шинный цикл;

- связность; интерфейс может быть односвязным или многосвязным. В первом случае существует один путь передачи данных от ПУ к центру, во втором- множество. Многосвязный интерфейс повышает живучесть и надежность ЭВМ.

Кроме этих характеристик существуют динамические характеристики интерфейсов, например время передачи слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи (своего рода время реакции).