Для передачи информации (данных) от одного узла системы к другому необходимо обеспечить физическую и логическую связь между ними, т.е. сопряжение. Такое сопряжение называется интерфейсом. Понятие “Интерфейс” является совокупным. Под ним подразумевается совокупность аппаратных (схем, узлов, линий, сигналов) и программных (алгоритмов) средств, необходимых для передачи информации от одного узла системы к другому. Интерфейсы делятся на два типа – последовательный и параллельный в зависимости от того, как по нему передаются данные – побитно или словами.
Физическая реализация интерфейса - это шина, т.е. совокупность электрических линий. Обычно линии делятся по их функциональному назначению на три группы: шина адреса (ША), шина данных (ШД), шина управления (ШУ). Количество линий в шинах адреса и данных определяет их разрядность. Минимальная разрядность шины данных - 8. Такую разрядность имеет интерфейс ввода-вывода, по которому осуществляется обмен данными между внешними устройствами и центральной частью системы. Разрядность шины данных системного интерфейса определяет быстродействие системы. Разрядность шины адреса зависит от объема оперативной памяти системы.
|
|
Информационную систему, построенную на базе ЭВМ можно разделить на две части: центральную (обрабатывающую) и периферийную (внешнюю). В центральной части узлы связаны между собой системным интерфейсом, который отличается высокой разрядностью шины данных и быстродействием. В принципе центральная часть может иметь несколько интерфейсов.
Для связи центральной части с внешними устройствами обычно организуется интерфейс ввода-вывода, который имеет низкую разрядность и быстродействие. Это объясняется тем, что внешние устройства содержат механические узлы, значительно снижающие их быстродействие.
Управление процессом обмена данными по интерфейсу ввода-вывода осуществляет периферийный процессор ввода-вывода. Если вводом-выводом управляет ЦП, то на время обмена информации между ОЗУ и ВУ
процессор прерывает свою работу над основной (рабочей) программой.
Прерывание может быть программным и внепрограммным.
При программном прерывании ЦП работает по подпрограмме обработки прерывания (драйверу), а данные передаются через внутренний регистр процессора.
При внепрограммном прерывании процедурой ввода - вывода управляет контроллер прямого доступа (КПД), а ЦП - находится в режиме ожидания окончания ввода и вывода данных.
Современные ЭВМ имеют так называемую открытую архитектуру, т.е. позволяют менять структуру (объем и номенклатуру) внешних устройств, следовательно, интерфейс ввода-вывода является унифицированным. В то же время внешние устройства являются специализированными и требуют индивидуальных управляющих сигналов и алгоритма обмена ими.
|
|
Для согласования унифицированных сигналов и алгоритмов интерфейса ввода-вывода с индивидуальными сигналами и алгоритмами конкретного внешнего устройства применяются устройства управления, называемые контроллерами и адаптерами. Интерфейс между контролером и внешним устройством называется малым, рис.2.
Рис. 2. Структурная схема ввода-вывода.
Контролеры могут быть групповыми и многофункциональными. Групповые - обслуживают несколько однотипных внешних устройств, а многофункциональные – несколько различных устройств.
Многофункциональный контролер представляет собой специализированную микро-ЭВМ, работающую по алгоритмам обмена информацией с внешними устройствами, имеющими различный состав малого интерфейса. При этом контролер позволяет управлять несколькими внешними устройствами с разделением во времени.
Контроллеры, управляющие одним внешним устройством, называются одиночными иимеют, как правило, аппаратную реализацию функций и жесткую логику.
В простейших информационных системах построенных на базе простых персональных ЭВМ системный интерфейс является одновременно и интерфейсом ввода-вывода, т.е. все составляющие информационной системы связаны единым интерфейсом, который называется интерфейсом общая шина.
В этом случае обмен информацией (данными) между устройствами осуществляется под управлением центрального процессора. Следовательно, для организации обмена данными с внешними устройствами центральный процессор должен прервать выполнение основной программы. Прерывание может быть программным и внепрограммным.
При программном прерывании центральный процессор, получив команду ввода-вывода, переходит к подпрограмме обработки прерывания, например, драйверу работы с устройством ввода. Процессор обращается к ВУ, получает от него байт данных, записывает его в свой внутренний регистр, затем обращается к определенной ячейке памяти (ОЗУ) и передает в нее этот байт информации. Такое управление обменом называется программным и является неэффективным.
С целью сокращения времени для передачи информации в ОЗУ или вывода из нее организуется прямой доступ внешнего устройства к оперативной памяти. В этом случае центральный процессор, получив из программы команду ввода - вывода передает управление обменом контролеру прямого доступа (КПД) или периферийному процессору ввода-вывода, который формирует адреса ячеек памяти и соответствующие управляющие сигналы. Такое прерывание называется внепрограммным или прерыванием прямого доступа. Контролер прямого доступа включается между системным интерфейсом и управляющим контролером внешнего устройства. На рисунке 3 показано включение контролера прямого доступа при системном интерфейсе “Общая шина”. Следует отметить, что для эффективного применения прерывания прямого доступа необходимо
сегментирование (разделение) интерфейса общая шина или организация отдельного интерфейса ввода-вывода.
Рис. 3. Структурная схема вычислительной системы с системным интерфейсом ОБЩАЯ ШИНА.
В современных, относительно несложных информационных системах, построенных на базе персональных компьютеров, все управляющие контролеры располагаются внутри системного блока, а процессор ввода-вывода - на системной (материнской) плате.
На рисунке 4 в качестве примера приведена структурная схема одного из перспективных персональных компьютеров, позволяющих организовать информационную систему среднего класса.
|
|
Рис.4. Структурная схема одного из перспективных персональных компьютеров.
Пояснения к рисунку 4.
CPU - центральный процессор.
FSB - интерфейс центрального процессора.
Слот AGP4X - слот подключения внешнего графического адаптера, (графический порт).
Memory Controller Hub - контроллер оперативной памяти и графического порта.
RDRAM - оперативная память,
Isochronous Hub Link - интерфейс ввода - вывода.
I/O Coutroller Hub - контроллер (процессор) ввода - вывода.
Порт USB - последовательный универсальный порт для внешних устройств.
Порт IDE - порт для подключения жестких дисков.
Слот PCI - слоты подключения к контроллеру внешних устройств.
Слот AMR - звуковой выход.
Super I/O - контроллер портов ввода - вывода.
Firmware Hub - постоянная перезаписываемая память системного и видео BIOS.
USB, IDE, LPC, PCI - интерфейсы и соответствующие им протоколы обмена,