Периферийные устройства

Устройства внешней памяти, предназначенные для хранения данных большого объема и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром. Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через порты в/в. Порт – это абстрактное понятие на самом деле не существующее. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать в периферийное устройство или прочитать из него. Также как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера, т.е. адреса портов в/в.

Система шин

Объединение функциональных блоков ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин:

1) ШД, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ

2) ША используется для передачи адресов ячеек памяти или портов, к которым производится обращение

3) ШУ служит для передачи управляющих сигналов

Совокупность этих 3 шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.

Состав и назначение шин, правила их использования, виды передаваемых по шине сигналов и другие характеристики шины могут существенно различаться у разных видов ЭВМ. Однако есть принципиально общие моменты в организации шин: шина состоит из отдельных проводников (линий), сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами, либо уровнем напряжения.

Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в состав шины. Ширина ША определяет размер адресного пространства ЭВМ.

Если количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2²⁰, т.е. примерно 1 млн. ячеек. Обычно на шине в любой момент можно выделить 2 активных устройства. Одно из них называется задачиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы). Другое называется исполнителем и выполняет операцию дешифрации адресов и управляющих сигналов, а также принимает или передает данные. В большинстве случаев задачиком является CPU, а память всегда выступает в качестве исполнителя.

Из управляющей шины выделим следующие линии: линии занятости (если они в состоянии “свободно” – то любой задачик, включая CPU, может начинать операцию обмена данными на шине, иначе задачику придется ждать пока шина освободится); линии, указывающие какая именно операция будет выполняться (чтение или запись); линии синхронизации (задачик в процессе операции обмена выставляет на шине сигнал синхронизации, получив сигнал от задачика; исполнитель выполняет операцию обмена и выставляет на шине ответный сигнал синхронизации; получив ответ от исполнителя задачик освобождает шину).

Операция считывания из ячейки памяти производится следующим образом: процессор переводит шину в состояние “занято” и на ША помещает адрес, требуемой ячейки памяти; устанавливает на ШУ сигнал чтения, выдает синхросигнал задачика; память принимает адрес, дешифрирует его, находит нужную ячейку и помещает ее содержимое на ШД; далее память выдает синхросигнал исполнителя; получив ответ от памяти, CPU считывает данные с шины, снимает свои управляющие сигналы и освобождает шину.

Операция “запись в память” производится следующим образом: шина переводится в состоянии “занято”; адрес, требуемой ячейки памяти помещается на ША; данные, которые необходимо записать в память, помещаются на ШД; на ШУ устанавливается сигнал “запись” и выдается сигнал синхронизации задачика; память принимает адрес, дешифрирует его, помещает в соответствующую ячейку данные шины и выдает сигнал синхронизации исполнителя; получив ответ от памяти, процессор снимает управляющие сигналы и освобождает шину.

Такой способ обмена данными называется асинхронным ответом, а сама операция запроса подтверждения носит название квитирование или “рукопожатие”, которая широко применяется в различных видах ЭВМ.

Обобщенный алгоритм функционирования классической ЭВМ

1) Инициализация

После включения ЭВМ или операции сброса в регистры CPU заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение первичного загрузчика загрузить в память с устройства внешней памяти ОС. Это программа может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматически считываться с некоторого устройства внешней памяти. Не будем подробно описывать этот процесс, а будем полагать, что в памяти некоторым образом оказалась первая из подлежащих выполнению программа. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше.

2) CPU производит операцию считывания команды из памяти, в качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.

3) Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором, как команда и помещается в регистр команд. УУ приступает к интерпретации прочитанной команды. По полю кода операции их первого слова команды УУ определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к необходимому содержимому командного счетчика и, когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.

4) По адресным полям команды УУ определяет - имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимах адресации вычисляются адреса операндов и производится операции чтения памяти для считывания операндов.

5) УУ и АЛУ выполняют операцию, указанную в поле операции команды. Во флаговом регистре CPU запоминаются признаки результата операции (знак результата, равно 0 или нет и т.д.).

6) Если это необходимо, УУ выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память.

7) Если последняя команда не была командой “остановить CPU”, то описанная последовательность действий повторяется с шага 1 (пункт 2). Описанная последовательность действий CPU с пункта 2 до пункта 6, называется циклом CPU.

ЭВМ с канальной организацией

В основе этого типа организации ЭВМ лежит множественность каналов связи между устройствами и функциональная специализация узлов. Упрощенная схема ЭВМ с канальной организацией представлена на рисунке.

В отличие от набора устройства ЭВМ с шинной организацией в состав ЭВМ с канальной организацией входят устройства, называемые каналами.

Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контролерами внешних устройств и обмену данными. Устройства группируются по скоростным характеристикам и подключаются к соответствующим каналам.

«Быстрые» устройства (накопители на магнитных дисках) подсоединяются к селекторному каналу. Такое устройство получает селекторный канал в монопольное использование, на все время операции обмена данными.

«Медленные» устройства подключаются к мультиплексным каналам. Мультиплексный канал разделяется (мультиплексируется) между несколькими устройствами. При этом возможен одновременный обмен данными с несколькими устройствами.

Доступ к ОП может получить и МП, и один из каналов. Для управления очередностью. Доступа имеется контроллер ОП. Он определяет приоритетную дисциплину доступа при одновременном обращении нескольких устройства к памяти. Наименьший приоритет имеет МП. Среди каналов больший приоритет имеют «медленные» каналы. Таким образом, приоритет обратно пропорционален частоте обращения устройств к памяти.

За счет существующего усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода-вывода. Операции обмена данными становятся более простыми. Канал, по сути, представляет собой специализированный контроллер прямого доступа к памяти. Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена данными между МП и ОП и между каналами и ОП. О своем состоянии канал может информировать МП с помощью прерываний. Все контроллеры ВУ подключаются к «своим» каналам с помощью стандартного интерфейса.

Свобода подключения ВУ сохраняется благодаря стандартному протоколу интерфейса, при этом появляется возможность группировать устройства по характеристикам.

Результатом введения каналов специализированных процессоров ввода/вывода является большая стандартизация и упрощение процессов обмена данными. С другой стороны вводятся некоторые ограничения, например, сохраняется только одна схема, напоминающая схему прямого доступа с обменом информацией между МП и каналом о прерываниях.

ЭВМ с канальной организацией МП практически полностью освобождается от рутинной работы по организации ввода/вывода. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными берет на себя канал. Наличие нескольких трактов передачи данных снимает трудности, связанные с блокировкой единственного тракта передачи данных (у ЭВМ с шинной организацией), что повышает скорость обмена. В результате общая производительность системы существенно возрастает, а удорожание схемы окупается.

Первой ЭВМ с канальной организацией была ЭВМ второго поколения IBM 704. ЕЕ продолжением являются машины серии IBM 360/370 (советский аналог – ЕС-1045).

Появление этих ЭВМ произвело переворот в вычислительной технике и на долгие годы они стали образцом для создателей ЭВМ.

В настоящее время схемы со специализированными процессорами ввода/вывода часто встречаются в ЭВМ различных типов.