Программно управляемый ввод-вывод

Глава 25. Методы управления вводом-выводом

Способы организации ввода-вывода

В компьютерах находят применение три способа организации ввода-вывода:

программно управляемый ввод-вывод;

ввод-вывод по прерываниям;

прямой доступ к оперативной памяти.

При программно управляемом вводе-выводе все связанные с этим действия происходят по инициативе процессора и под его полным контролем. Процессор выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода-вывода, включая проверку состояния устройства, выдачу команд ввода-вывода. Выдав в контроллер ПУ команду, процессор должен ожидать заверше­ния ее выполнения, и, поскольку он работает быстрее, чем ПУ, это приводит к потере времени.

Ввод-вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода-вывода процессор не должен циклически опрашивать контроллер ПУ для выяснения состояния устройства. Вме­сто этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от контроллера ПУ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды ввода-вывода. Как и при программно управляемом вводе-выводе, процессор отвечает за извлечение данных из оперативной памяти (при выводе) и запись данных в оперативную память (при вводе).

Повышение, как скорости ввода-вывода,так и эффективности использования процессора, обеспечивает третий способ ввода-вывода — прямой доступ к оперативной памяти (ПДП). В этом режиме оперативная память и контроллер ПУ обмениваются информацией на­прямую, минуя процессор.

Программно управляемый ввод-вывод

Наиболее простым методом управления вводом-выводом является небуферированный программно управляемый ввод-вывод. В этом режимев каждом циклеобмена передается только одна порция данных. Это может быть 1, 2, 4 байта. Здесь ввод-вывод происходит под полным контролем процессора и реа­лизуется специальной процедурой ввода-вывода (драйвером периферийного устройства). В этой процедуре процессор, например, с помощью команды ввода-вывода сообщает контроллеру ПУ, а через него и устройству о предстоящей операции. Адрес контроллера ПУ, к которому производит­ся обращение, указывается в адресной части команды ввода или вывода. Контроллер ПУ исполняет затребованное действие, после чего устанавливает в единицу соответ­ствующий разряд в своем регистре состояния. Ничего другого, чтобы уведомить процессор, контроллер ПУ не предпринимает. Следовательно, для определения момента за­вершения операции или пересылки очередного элемента блока данных про­цессор должен периодически опрашивать и анализировать содержимое регис­тра состояния в контроллере ПУ.

В процедуре программно управляемого ввода блока данных с уст­ройства ввода данные читаются пословно. Для каждого чи­таемого слова процессор должен оставаться в цикле проверки, пока не определит, что слово находится в регистре данных контроллера ПУ, то есть доступно для считывания.

Алгоритм выполнения обмена под управлением программы приведен на рис. 25.1.

Рис. 25.1. Алгоритм выполнения обмена под управлением программы

Процедура начинается с выдачи процессором команды ввода, в которой указан адрес конкретного контроллера ПУ и конкретного ПУ. Существуют четыре типа команд ввода-вывода, которые может получить контроллер ПУ:

управление;

проверка;

чтение;

за­пись.

Команды управления используются для активизации ПУ и указания требуемой операции. Например, в устройство памяти на магнитном диске может быть выдана команда «Поиск дорожки». Для каждого типа ПУ харак­терны специфичные для него команды управления.

Команда проверки применяется для проверки различных ситуаций, возникаю­щих в ПУ в процессе ввода-вывода. С помощью таких команд процессор спосо­бен выяснить, включено ли ПУ, готово лионо к работе, завершена ли последняя операция ввода-вывода и не возникли ли в ходе ее выполнения какие-либо ошибки. Действие команды сводится к установке или сбросу соответствующих разрядов регистра состояния контроллера ПУ.

Команда чтения побуждает контроллер ПУ получить элемент данных из ПУ и занести его в буфер (регистр) данных. Процессор может получить этот элемент данных, запросив контроллер ПУ поместить его на шины данных внешнего интерфейса.

Команда записи заставляет контроллер ПУ принять элемент данных (байт, слово илидвойноеслово ) с шин данных внешнего интерфейса, записать его в буфер данных и затем переслать его в ПУ.

Если к контроллеру ПУ подключено несколько ПУ, то в процедуре ввода-вывода нужно производить циклический опрос всех устройств, с которыми в данный момент производятся операции ввода-вывода.

Из приведенного описания явно виден основной недостаток программно управляемого ввода-вывода — неэффективное использование процессора из-за ожидания готовности очередной порции информации. В течение всего времени ожидания готовности ПУ процессор не выполняет никаких иных по­лезных действий. Кроме того, пересылка даже одной порции данных (например, слова) тре­бует выполнения нескольких команд. Процессор должен тратить время на анализ разрядов состояния ПУ, запись в контроллер ПУ разрядов управления, чтение или запись данных со скоростью, определяемой внешним устройством. Все это также отрицательно ска­зывается на эффективности ввода-вывода.

Главным аргументом в пользу программно управляемого ввода-вывода явля­ется простота контроллера ПУ, поскольку основные функции по управлению вводом-выводом берет на себя процессор. При одновременной работе с несколькими ПУ приоритет устройств легко изменить программными средствами (последовательностью опроса). Наконец, подключение к подсистеме ввода-вывода новых внешних устройств или отключение ранее подключенных также реализуется без особых сложностей.