Принципы управления

УПРАВЛЕНИЕ ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Вычислительные машины, помимо процессоров и основной памя­ти (образующих ее ядро), содержат многочисленные периферийные устройства (ПУ): ВЗУ и УВВ.

Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называ­ется операцией ввода, а передача из ЭВМ в ПУ - операцией вывода.

Производительность и эффективность ЭВМ определяются не толь­ко возможностями ее процессора и характеристиками ОП, но и соста­вом ПУ, их техническими данными и способами организации их со­вместной работы с ЭВМ.

При разработке систем ввода-вывода ЭВМ особое внимание об­ращается на решение следующих проблем:

- должна быть обеспечена возможность реализации машин с пере­менным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией), в первую очередь с различным набором периферийных уст­ройств, с тем чтобы пользователь мог выбирать состав оборудо­вания (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройствами;

- для эффективного и высокопроизводительного использования обо­рудования в ЭВМ должны реализовываться одновременная рабо­та процессора над программой и выполнение периферийными уст­ройствами процедур ввода-вывода;

- необходимо упростить для пользователя и стандартизовать про­граммирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного -периферийного устройства;

- необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готов­ность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

Первый шаг в совершенствовании структуры ЭВМ с целью по­вышения производительности был сделан при разработке второго поколения ЭВМ, когда впервые была обеспечена автономность вне­шних устройств. Сначала она была необходима для согласования ско­рости работы устройств ЭВМ.

Однако автономность потребовала проведения проверок исправ­ности устройств при каждом обращении к ним. Появилась определен­ная технология обращения к автономным внешним устройствам - интерфейс.

Когда эту технологию унифицировали, появилось понятие стан­дартного интерфейса.

Стандартизация интерфейсов ввода-вывода привела к возможно­сти гибко изменять конфигурацию вычислительных машин (количе­ство и состав внешних устройств, расширять комплект ЭВМ за счет подключения новых устройств).

Затем появилась концепция виртуальных устройств, позволяющая совмещать различные типы ЭВМ, операционные системы. Совмести­мость распространилась и на работу машин разной конфигурации (можно использовать соответствующее программное обеспечение и при физическом отсутствии необходимых устройств).

Изменилась и технология работы - при отсутствии печатающих устройств файлы направлялись в виртуальное устройство, где и на­капливались, а реально распечатывались на другой машине.

Дальнейшее совершенствование интерфейсов потребовалось при решении специфических задач: новые внешние устройства (сканеры) позволяли вводить текст в графическом виде, а обрабатывать его надо было в символьном виде. Поэтому возникла необходимость в систе­мах распознавания, идентификации, преобразования из графического формата в символьный.

При анализе снимков из космоса появилась необходимость авто­матической классификации наблюдаемых объектов, самообучения распознающей программы, анализа сцен.

Все это стимулировало развитие специального математического аппарата в интерфейсах.

Необходимость вывода информации различными шрифтами при­вела к изменению технологии вывода, связанной с применением TrueType-шрифтов, масштабированием матричных и векторных изоб­ражений, преобразованием векторных символов в матричные.

В о внешние устройства стали встраивать свою основную память, объем которой должен обеспечивать вывод целой страницы (напри­мер, текста) при плотности 600 точек/дюйм - этот объем превышает иногда объем основной памяти ЭВМ.

Необходимость пересчета при преобразовании векторных шриф­тов в матричные привела к необходимости включить в состав уст­ройств отображения информации специальные графические процес­соры матричной архитектуры, в качестве которых часто использу­ются транспьютеры.

При создании автоматизированных рабочих мест появилась необ­ходимость подключения к ЭВМ аудиовизуальной аппаратуры - те­лекамер, видеомагнитофонов, фотокамер, аудиоустройств. На этой основе образовался специальный аппаратный комплекс, называемый анимационной линейкой. Из-за технической несовместимости необхо­димой для таких комплексов аппаратуры потребовались программ­ные и аппаратные преобразователи сигналов, специальные средства сопряжения.

При разработке пятого поколения ЭВМ была заложена интеллек­туализация общения: речевой ввод и вывод; графический ввод; ввод текстовой информации без клавиатуры; естественно-языковое обще­ние; общение на разных естественных языках.

Все это и явилось основой для совершенствования систем, обеспе­чивающих связь ЭВМ с периферийными устройствами.

В общем случае для организации и проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные средства:

- специальные управляющие сигналы и их последовательности;

- устройства сопряжения;

- линии связи;

- программы, реализующие обмен.

Весь этот комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, ал­горитмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсом.

В зависимости от типа соединяемых устройств различаются:

- внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ;

- интерфейс ввода-вывода - для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.);

- интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) - для сопряжения различных ЭВМ (например, при об­разовании вычислительных сетей);

- интерфейсы «человек - машина» - для обмена информацией меж­ду человеком и ЭВМ.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального аппа­ратного комплекса (рис. 6.1).

Принципы управления - №1 - открытая онлайн библиотека

Характер использования этого аппаратного комплекса определя­ется технологией обмена, установленным церемониалом, идеологией данного интерфейса, протоколом общения.

Особое место занимает человеко-машинный интерфейс, реализу­ющий специфические методы организации общения. Например, цере­мониал человеко-машинного общения предусматривает «дружествен­ность пользователю», которая может обеспечиваться техническими средствами, программами и технологией общения.

Если интерфейс обеспечивает обмен одновременно всеми разряда­ми передаваемой информационной единицы (чаще всего - байта или машинного слова), он называется параллельным интерфейсом.

Внутренний интерфейс ЭВМ всегда делается параллельным или последовательно-параллельным (если одновременно передается не вся информационная единица, а ее часть, содержащая несколько двоичных разрядов: например, i8088 обеспечивает побайтовый, a 80386SX - двух­байтовый обмен через системную магистраль, тогда как основная ин­формационная единица - машинное слово - имеет длину: у 8086 - 2 байта, а у 80386 - 4 байта).

Интерфейсы межмашинного обмена обычно последовательные, т.е. в них обмен информацией производится по одному биту, последова­тельно.

Для параллельного и последовательно-параллельного интерфейса необходимо, чтобы участники общения были связаны многожильным интерфейсным кабелем (количество жил не меньше числа одновремен­но передаваемых разрядов - бит). В последовательных интерфейсах участники общения связываются друг с другом одно-двух-проводной линией связи, световодом, коаксиальным кабелем, радиоканалом.

В зависимости от используемых при обмене программно-техничес­ких средств интерфейсы ввода-вывода делятся на два уровня: физический и логический (рис. 6.2).

Принципы управления - №2 - открытая онлайн библиотека

Рис. 6.2.Логический и физический уровни интерфейсов ввода-вывода

В зависимости от степени участия центрального процессора в об­мене данными в интерфейсах может использоваться три способа уп­равления обменом:

- режим сканирования (так называемый «асинхронный» обмен);

- синхронный обмен;

- прямой доступ к памяти.

Для внутреннего интерфейса ЭВМ режим сканирования предус­матривает опрос центральным процессором периферийного устрой­ства (ПФУ): готово ли оно к обмену, и если нет, то продолжается оп­рос периферийного устройства (рис. 6.3).

Операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать сложную быстродействующую аппаратуру процессора, в результате чего в режиме сканирования снижается про­изводительность вычислительной машины.

Вместе с тем при пересылке блока данных процессору приходится для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) выполнять довольно много команд (чтобы обеспечить буферизацию данных, пре­образование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п.). В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных даже через высокопроизводи­тельный процессор может оказаться неприемлемой для систем управ­ления, работающих в реальном масштабе времени.

Режим сканирования упрощает подготовку к обмену, но имеет ряд недостатков:

- процессор постоянно задействован и не может выполнять другую работу;

- при большом быстродействии периферийного устройства процес­сор не успевает организовать обмен данными.

Принципы управления - №3 - открытая онлайн библиотека

Рис. 6.3.Алгоритм сканирования

В синхронном режиме центральный процессор выполняет основ­ную роль по организации обмена, но в отличие от режима сканирова­ния не ждет готовности устройства, а осуществляет другую работу. Когда в нем возникает нужда, внешнее устройство с помощью соот­ветствующего прерывания обращает на себя внимание центрального процессора.

Для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процес­сора от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access).

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от процессора установление связи и пе­редачу данных между основной памятью и внешним устройством.

В режиме прямого доступа к памяти используется специализиро­ванное устройство - контроллер прямого доступа к памяти, кото­рый перед началом обмена программируется с помощью центрально­го процессора: в него передаются адреса основной памяти и количе­ство передаваемых данных. Затем центральный процессор от контроллера прямого доступа к памяти отключается, разрешив ему работать, и до окончания обмена может выполнять другую работу. Об оконча­нии обмена контроллер прямого доступа к памяти сообщает процес­сору. В этом случае участие центрального процессора косвенное. Об­мен ведет контроллер прямого доступа к памяти. Прямой доступ к памяти (ПДП):

- освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода;

- позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение про­цессором программы с обменом данными между внешним устрой­ством и основной памятью;

- производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью основной памяти и внешним устрой­ством.

ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вы­вода, способствует увеличению общей производительности ЭВМ, дает возможность машине более приспособленно работать в системах ре­ального времени.