Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Периферийные устройства предназначены для хранения больших объёмов информации (внешние ЗУ) и для ввода в систему и вывода из неё информации, в том числе для регистрации и отображения последней (устройства ввода-вывода).

Связь устройств МПС друг с другом осуществляется с помощью сопряжений, называемых интерфейсами.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Интерфейсы и образуют систему ввода-вывода.

В общем случае система ввода-вывода должна обеспечивать:

1. Возможность реализации вычислительных систем с различным набором периферийных устройств с тем, чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) системы в соответствии с её назначением и легко дополнять систему новыми устройствами.

2. Параллельную во времени работу микропроцессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.

3. Стандартное программирование операций ввода-вывода, независимость его от особенностей того или иного периферийного устройства.

Основными путями решения указанных проблем являются:

1. Модульный принцип проектирования средств вычислительной техники.
Суть этого принципа заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей, которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться.
Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части вычислительной системы никаких других изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

2. Использование унифицированных форматов данных, которыми периферийные устройства обмениваются с ядром МПС.
Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных периферийных устройств, производится в блоках управления периферийными устройствами.

3. Использование унифицированных формата и набора команд микропроцессора для операций ввода-вывода.
Операция ввода-вывода с любым периферийным устройством представляет для микропроцессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного периферийного устройства, типа его носителя и т.п.

4. Применение унифицированных интерфейсов.

Для обеспечения параллельной во времени работы микропроцессора и периферийных устройств, схемы управления вводом-выводом отделяют от МП и придают им достаточную степень автономности.

Многие функции управления операциями ввода-вывода, как, например, управление прямым доступом к памяти, являются общими, они не зависят от типа периферийного устройства. Другие функции являются специфичными для данного типа устройств.

Выполнение общих функций возлагают на унифицированные устройства – контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры (каналы) ввода-вывода, а специфических – на специализированные блоки управления, часто называемые адаптерами.

9.1. Способы обмена данными между устройствами

вычислительной системы.

В системах ввода-вывода используются два основных способа организации обмена данными: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти.

Программно-управляемый обмен данными осуществляется при непосредственном участии и под управлением МП.

Данные между основной памятью и периферийным устройством (ПУ) пересылаются через МП:

Операция ввода-вывода инициируется текущей командой прог-

раммы или запросом прерывания от периферийного устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

МП
ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ОП

В любом случае МП выполняет специальную подпрограмму ввода-

вывода, отвлекаясь от выполнения основной программы.

Программно-управляемый способ может быть эффективен только

для операций ввода-вывода отдельных байт (слов) и поэтому используется для обмена данными между МП и другими устройствами вычислительной системы.

В случае же обмена блоками данных между памятью и периферийным устройством при использовании этого способа МП придётся для каждой единицы блока (байта или слова) выполнять довольно много команд, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчёт количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п.

В результате скорость передачи данных окажется недостаточной для работы с высокоскоростными периферийными устройствами (например, с ЗУ на дисках и барабанах, с АЦП и т.п.). Более того, эта скорость может оказаться вообще неприемлемой для систем, работающих в реальном масштабе времени.

Кроме того, операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать логически сложную быстродействующую аппаратуру процессора.

Поэтому для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки МП от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти.

Прямым доступом к памяти (ПДП) называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от микропроцессора установление связи и передачу данных между основной памятью и периферийным устройством.

ПДП освобождает МП от управления операциями ввода-вывода, позволяет совмещать во времени выполнение программы с обменом данными между периферийным устройством и основной памятью, причём производить этот обмен со скоростью, ограниченной только пропускной способностью памяти или периферийного устройства.

Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП. При этом возможно использование как общей, так и отдельной шины для связи с памятью:

Инициирование ПДП
ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Контроллер ПДП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

МП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ОП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Контроллер ПДП выполняет следующие
функции:

а) управление инициируемой МП или ПУ
передачей данных между ОП и ПУ;

б) задание размера блока данных, который
подлежит передаче, и области памяти, исполь-
зуемой при передаче;

в) формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче;

г) подсчёт числа единиц данных (байт, слов), передаваемых от ОП в ПУ или обратно, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.

Структурная схема контроллера ПДП включает один или несколько буферных регистров РгБ, регистр-счётчик текущего адреса данных РгТАД, счёт-чик текущих данных СчТД и устройство управления УУ.

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ОП
ПУ
РгБ
СчТД
УУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

РгТАД

При инициировании операции ввода-вывода
в СчТД заносится размер передаваемого блока
(число байт или слов), а в РгТАД – начальный
адрес используемой области памяти.

С передачей каждой единицы блока содер-
жимое РгТАД увеличивается на 1. При этом
формируется адрес очередной ячейки ОП, учас-
твующей в передаче.

Одновременно уменьшается на 1 содержи-
мое СчТД.

Обнуление СчТД указывает на завершение
передачи.

Контроллер ПДП по сравнению с микропроцессором обычно имеет более высокий приоритет в занятии цикла памяти.

Управление памятью переходит к контроллеру ПДП сразу после завершения цикла её работы, выполняемого для текущей команды МП.

Высокая скорость обмена данными обеспечивается ПДП за счёт управления обменом аппаратными, а не программными средствами.

9.2. Методы передачи информации между устройствами

вычислительной системы.

В микропроцессорных системах используются два основных метода передачи дискретной информации: синхронный и асинхронный.

Рассмотрим эти методы сначала для случая последовательной, а затем параллельной передачи кода.

При синхронном методе передающее устройство У1 устанавливает на вы-

Л0
У2

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

У1

ходе дискретный сигнал (0 или 1) и поддерживает его
в течение заранее определённого промежутка времени.

По истечении этого промежутка времени состояние

сигнала на передающей стороне может быть изменено.При этом считается, что сигнал принят.

Период синхронной передачи tдолжен быть не меньше

t³Т
Л0

максимального времени Т передачи сигнала, которое скла-

t³Т

дывается из времени распространения сигнала по линии Л0, а также времени распознавания и фиксации сигнала в регистре приёмного устройства У2.

При асинхронном методе устройство У1 устанавливает соответствующее
передаваемому коду состояние сигнала на линии Л0.

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Л0

Устройство У2 после фиксации этой информации из-

У2
У1
Л1

вещает об этом устройство У1 изменением состояния сиг-

нала на линии Л1.
Передающее устройство, получив сигнал о приёме, снимает передаваемый сигнал, а приёмное устройство, в ответ, снимает сигнал подтверждения.

Для периода асинхронной передачи должно выполняться условие t³ 2t, где t – время передачи нового состояния сигнала в один конец линии связи.

Время Т приходится выбирать, исходя из максимально возможных расстояний между устройствами и наихудших условий передачи.

Время же t зависит от характеристик конкретной линии связи и конкретных устройств, участвующих в передаче.

Поэтому обычно время 2t значительно меньше времени Т.

При передаче параллельного кода сигналы поступят в приёмное устройство в разное время из-за разброса параметров цепей, формирующих сигналы, и линий интерфейса.

По этой причине синхронная передача параллельного кода осуществляется со стробированием, а асинхронная — с квитированием (подтверждением).

При стробировании информация передаётся по линиям Л1, …, Лn в интер-

вале времени, когда

Л1… Лn

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Л1

сигнал на линии Л0

t’ ³ 0
t0 ³Т
Л0
Лn
У2
У1
Л0

соответствует 1.
В противном слу-
чае сигналы на ли-
ниях Л1, …, Лn не
имеют смысла.

Для гарантированной передачи данных по линиям Л1,…, Лn передаваемый код устанавливается как минимум на время DТ раньше, чем появляется единичный сигнал на линии Л0.

Снятие сигналов с линий Л1,…, Лn может закончиться на время DТ позже времени установления нулевого состояния на линии Л0.

Следовательно, период передачи определяется равенством t = t0 + 2DТ + t’.

Передача состробированием используется главным образом для пересылок информации внутри устройства, например между регистрами.

t’ ³ 0
t0 ³2t
Л0
Л1… Лn
Л0
Лn
Л1
У2

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

У1

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. При передаче с квитированием фронт сигнала на линии Л0 извещает устройство У2, что устройство У1 подготовило передаваемую информацию на ли-
ниях Л1,…, Лn.
Фронтсигнала на
линии Лn+1 извещает
устройство У1, что уст-
ройство У2 приняло ин-
формацию.

³t
³t
³t
Лn+1
Лn+1

Восприняв извеща-
ющий сигнал, устрой-
ство У1 снимает инфор-
мацию с линий Л1,…, Лn и гасит сигнал на линии Л0.

Срез сигнала на этой линии оповещает устройство У2 об окончании передачи данных.

В ответ устройство У2 гасит сигнал на линии Лn+1, срез которого извещает устройство У1 о готовности устройства У2 к приёму следующей порции данных.

Период передачи данных при использовании квитирования определяется формулой, аналогичной предыдущему случаю. Однако следует помнить, что, как правило, время 2t значительно меньше времени Т.

Передача с квитированием обычно используется, когда приёмное устройство не всегда готово к приёму информации (например, занято выполнением других операций).

При последовательной передаче кода кроме основных методов возможен асинхронно-синхронный метод.

В этом случае передающее устройство сообщает приёмнику, что в течение заранее определённого промежутка времени после фиксации извещающего сигнала поступит заранее определённое число бит информации.

При этом передачаосуществляется либо со стробированием, либо стартстопным способом.

Стартстопный способтребует одной линии интерфей

Сначала передаётся сигнал старт,

фронт которого извещает приёмник о начале передачи.

Затем передаётся определённое число бит информации.

Сигнал стоп извещает приёмник об окончании передачи.

9.3. Основные структуры систем ввода-вывода.

Принципы построения и структуры систем ввода-вывода определяются разнообразием и числом периферийных устройств в составе вычислительной системы, а также интенсивностью операций ввода-вывода.

Можно выделить два характерных принципа построения и соответствую-щие структуры систем ввода-вывода: с одним общим интерфейсом и с множеством интерфейсов и каналами (процессорами) ввода-вывода.

ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Контроллер ПДП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Контроллер ПДП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

К

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

К

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ОП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

МП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Общая шина

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства. Структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины (магистрали), к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие МПС: (МП), основная (оперативная) память и периферийные устройства.

Периферийные устройства (ПУ) подсоединяются к общей шине с помощью блоков управления (контроллеров).

Контроллеры (К) осуществляют согласование форматов данных, используемых в ПУ, с форматом, принятым для передачи по общей шине.

Контроллеры ПДП обеспечивают возможность подключения ПУ с поблочной передачей данных (ЗУ на дисках, лентах и некоторые другие ПУ).

Обмен информацией между МП, памятью и ПУ осуществляется по единому правилу: 1) информация передаётся словами; 2) все передачи осуществляются по методу квитирования; 3) в каждый данный момент времени обмен данными может происходить только между одной парой модулей.

Взаимодействиедвух устройств по общей шине основано на принципе ведущий-ведомый (master-slave). Ведущий управляет общей шиной, а ведомый выполняет операцию в соответствии с указаниями ведущего.

В зависимостиот операции одно и то же устройство может быть как ведущим, так и ведомым. Исключение составляет основная (оперативная) память, которая может быть только ведомым устройством.

Каждое из устройств, которое может стать ведущим, имеет присвоенный ему приоритет.

Устройство с более высоким приоритетом берёт на себя функции ведущего после освобождения общей шины микропроцессором.

Выбор ведущего осуществляется схемой приоритета, находящейся в МП.

Принцип ведущий-ведомыйпозволяет организовать на общей шине автономный обмен (без участия МП) между двумя ПУ, например магнитным диском и ОП.

Общая шина (ОШ) представляет собой унифицированную систему связей и сигналов между процессором и ПУ: (рис. на следующей странице).

По шине адреса передаются адреса ячеек ОП и периферийных устройств, а по шине данных –коды данных, команд и состояний устройств.

Шины адреса и данных образуют информационную магистраль (информационную шину).

Магистраль (шину) управления образуют следующие шины.

Шина управления обменом информации включает в себя от одной до трёх линий синхронизации передачи информации.

Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Шина данных
Предоставление прерывания
ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Интерфейс ПУ

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

ОП

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

МП
Схема прерывания и упр. приоритетом

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Схемы синхро- низации и упр.

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Цепи данных

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Шина уп-равления

информационной магистрали. Эта шина необходима при наличии в системе нескольких устройств, способных быть инициаторами обмена информацией.

Шина прерывания идентифицирует устройство, запрашивающее сеанс обмена информацией. Идентификация состоит в определении контроллером адреса источника прерывания.

Шина специальных управляющих сигналов включает в себя линии питания, тактирующих импульсов, сигналов общего сброса и т.п.

Общий интерфейс не полностью освобождает МП от управления операциями ввода-вывода. Более того, во время операции обмена данными между ПУ и ОП интерфейс оказывается занятым, а связь МП с ОП – блокированной.

Однако общий интерфейс обеспечивает простоту реализации системы ввода-вывода и гибкость при построении различных конфигураций МПС.

По этой причине интерфейс с общей шиной нашёл широкое применение в процессорах, однокристальных МП, а также малых и микроЭВМ.

Наиболее полной, но требующей значительных аппаратурных затрат, является структура с множеством интерфейсов и каналами ввода-вывода (рис. на следующей странице).

Такая структура характерна для универсальных ЭВМ.

Управление вводом-выводом осуществляется программно-управляемы-ми процессорами ввода-вывода, иначе называемых каналами ввода-вывода.

Каналы ввода-вывода призваны обеспечить прямой доступ к памяти, а потому выполняют функции, аналогичные функциям контроллера ПДП.

При этом каналы осуществляют буферизацию и преобразование форматов передаваемых данных для согласования работы ОП и ПУ.

Информация передаётся в пу без проверки готовности устройства.

Однако в отличие от контроллера ПДП на каналы ввода-вывода возлагаются дополнительные функции для минимизации участия МП в операциях ввода-вывода. Этими функциями являются:

1. Организация цепочки данных.

Возможны случаи, когда массив данных состоит из нескольких подмассивов, размещённых в произвольных участках ОП. Тогда для ввода-вывода каждого подмассива необходимо включать в программу микропроцессора отдельные команды ввода-вывода.

Чтобы передача всех подмассивов инициировалась только одной командой микропроцессора, канал должен допускать задание в канальной программе цепочки данных для передачи такого составного массива.

2. Организация пропуска информации.
При операциях ввода может возникнуть необходимость переносить в память с носителя информации только отдельные части массива, пропуская ненужные данные.
Для этого должна иметься возможность задания в канальной программе пропуска информации в цепочке данных и реализация пропуска без привлечения микропроцессора для выполнения этой процедуры.

3. Организация цепочки операций.
Обмен информацией между ОП и некоторыми ПУ состоит в определённой последовательности операций ввода-вывода.
Например, при работе с ЗУ на магнитных дисках может потребоваться следующая последовательность операций: а) установить головки на i-й цилиндр; б) прочитать информацию с j-й поверхности дисков; в) прочитать информацию с (j+1)-й поверхности; г) установить головки на k-й цилиндр и т.д.
Чтобы при подобных последовательностях операций ввода-вывода каждая новая операция не требовала новой команды ввода-вывода, должна иметься возможность задания в канальной программе цепочек операций.

4. Формирование запросов прерывания от ввода-вывода.
Аппаратура канала автоматически прерыванием извещает микропроцессор об окончании каждой операции ввода-вывода.
Вместе с тем должна иметься возможность задания в программе канала прерывания на любом этапе операции ввода-вывода, т.е. программно-управ-ляемого прерывания. Оно не нарушает нормальное выполнение текущей операции ввода-вывода.
Появление запроса программно-управляемого прерывания означает, что выполнены все операции ввода-вывода, предшествующие в канальной программе этому запросу.
В результате микропроцессор может следить за выполнением канальной программы ввода-вывода и начинать обработку данных сразу после выполнения очередного этапа операции ввода-вывода.

Каналы ввода-вывода полностью разгружают МП от управления операциями ввода-вывода, но порождают неоднородность в структуре потоков (последовательностей байт, слов) и форматах передаваемых данных.

Эта неоднородность, в свою очередь, приводит к необходимости использования нескольких специализированных интерфейсов, среди которых можно выделить 4 типа.

Интерфейс основной (оперативной) памяти предназначается для передачи информации между ОП и каналами ввода-вывода, а также между ОП и процессором. Ведущим устройством здесь является процессор либо канал ввода-вывода, а ведомыми – блоки ОП.

Интерфейс процессор-каналы применяется для обмена информацией между микропроцессором и каналами ввода-вывода. Ведущим в этом интерфейсе является микропроцессор, а ведомым – каналы ввода-вывода.

Указанные интерфейсы являются наиболее быстродействующими. Информация через них передаётся параллельно словами.

Интерфейс ввода-вывода обеспечивает обмен информацией между каналами ввода-вывода и контроллерами периферийных устройств. Здесь ведущими устройствами являются каналы ввода-вывода, а ведомыми – контроллеры.

Информация через интерфейс ввода-вывода передаётся параллельно байтами или парами байт.

Интерфейсы периферийных устройств(имеются и в структуре с общей шиной) служат для передачи информации между контроллерами и ПУ. В этом интерфейсе ведущими являются контроллеры, а ведомыми – ПУ.

Через этот интерфейс информация передаётся группами разрядов, число которых определяется типами ПУ.

Функции, выполняемые первыми тремя типами интерфейсов, не зависят от типов ПУ.

Поэтому соответствующие интерфейсы являются унифицированными, т.е. имеют унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром системы.

Интерфейсы ПУ не могут быть унифицированы в силу большого разнообразия ПУ по принципу действия, выполняемым операциям и используемым форматам данных.

Интерфейсы ПУ выпускаются в виде БИС и входят в состав МПК, поэтому далее рассмотрим принципы построения и структуры таких интерфейсов.

9.4. Интерфейсы периферийных устройств.

В зависимости от способа передачи данных различают последовательные и параллельные интерфейсы, а в зависимости от метода управления обменом – синхронные, асинхронные и синхронно-асинхронные.

Асинхронный параллельный интерфейс имеет следующую структуру: (рис. на следующей странице).

Регистры данных служат для временного хранения данных, передаваемых как от системной (общей шины), так и со стороны ПУ.

Регистр управления работает только на запись и воспринимает команды,

Type


Похожие статьи.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: