Лекция 8. Организация системы ввода/вывода ЭВМ

Обсудив организацию центральной части ЭВМ ¾ ЦП и ОП, рассмотрим третью составляющую ¾ систему сопряжения (СС), обеспечивающей интерфейс центральной части с внешней средой (внешняя память, устройства ввода/вывода, другие ЭВМ и т.д.). В качестве внешней среды (периферии) можно выделить две большие группы устройств: внешние запоминающие устройства (ВЗУ; предназначены для хранения больших объемов информации) и устройства ввода/вывода (УВВ; ввод/вывод информации, ее регистрация и отображение, и т.д.). Технико-экономические показатели ЭВМ в значительной степени определяются составом ее периферийного оборудования, его техническими характеристиками и способом организации совместной работы с ЦП и ОП ЭВМ. Связь устройств ЭВМ друг с другом в единую систему осуществляется посредством интерфейсов, которые представляют собой совокупность линий и шин, управляющих сигналов, электронных схем и протоколов связи, предназначенную для обеспечения обмена информацией между устройствами. От характеристики и организации системы интерфейсов во многом зависят технико-экономические показатели любой ЭВМ.

Системы ввода/вывода современных ЭВМ, сопряженных с разнообразной периферией, удовлетворяют ряду требований, из которых отметим следующие. Модульность средств современной ВТ предполагает выполнение отдельных устройств в виде конструктивно законченных модулей, допускающих объединение их в нужных количествах и номенклатуре для создания вычислительных средств с требуемыми характеристиками. Унифицированность форматов данных, которыми внешние устройства (ВУ) обмениваются с ЦП и ОП, включая и основную управляющую информацию, позволяет использовать одни и те же ВУ с различными типами и классами ЭВМ, удовлетворяющим определенным стандартам. При этом преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, присущие конкретному ВУ, производится в блоках управления ВУ (БУВУ). Унифицированность распространяется на общий интерфейс обмена информацией между ВУ и ЦП+ОП (рис.8.1), а также на формат и набор команд ввода /вывода ЦП. При таком подходе операции ввода /вывода с любым ВУ процессор осуществляет независимо от особенностей конкретного ВУ. Для обеспечения временного совмещения работы ЦП и системы ввода /вывода производится повышение уровня автономности последней. Многие функции управления операциями ввода /вывода являются общими и не зависят от типа ВУ, тогда как другие специфичны для конкретного ВУ. Выполнение общих функций возлагается на специальные устройства системы сопряжения ¾ контролеры (Конт) прямого доступа к ОП, а специфические ¾ на адаптеры (БУВУ) конкретного типа ВУ.

В ПК для организации обмена информацией между ЦП и ОП используется метод прямого доступа к ОП, суть которого сводится к следующему. ЦП только инициирует операцию ввода /вывода посредством общих команд, запускающих работу контроллера; после успешной инициализации операции ввода /вывода ЦП переключается на выполнение основной программы, а контроллер непосредственно выполняет операцию обмена параллельно с работой ЦП. Таким образом, прямым доступом к ОП управляет контроллер, выполняя следующие функции:

задание массива данных и области ОП, участвующих в операции обмена;

формирование последовательных адресов ячеек ОП, используемых в операции;

подсчет числа единиц переданной информации в период текущей операции обмена;

установление момента завершения текущей операции обмена информацией;

передача в ЦП с прерыванием сигнала о конце текущей операции обмена.

Инициируя операцию ввода/вывода, ЦП выполняет ее способами, зависящими от схемы подключения системы ввода/вывода к ЦП и ОП.

Общая шина (ОШ)
Ц П		ОП		БУВУ1	…	БУВУк		Конт1	…	Контd
			ВУ	…	ВУ		ВУ	…	ВУ

Рис.8.1

В зависимости от типа и класса ЭВМ их СВ/В существенно различаются. Можно выделить две типичные организации СВ/В: с (1) общей шиной (ОШ) и (2) каналами ввода/вывода (КВ/В) В первом случае (например, в ПК) все модули соединяются единым интерфейсом ¾ общей шиной (ОШ), в совокупности образуя вычислительную систему: ЦП, ОП и ВУ (через БУВУ и контроллеры для ВУ с блочной передачей данных) (рис.7.1). В качестве средства подключения ВУ к ОШ выступает порт (последовательный или параллельный) ввода/вывода, представляющий собой адресную часть контроллера, непосредственно используемую для обмена данными. В каждый момент времени через ОШ может происходить обмен информацией только между одной парой присоединенных к ней модулей, те все модули ЭВМ разделяют во времени и ЦП выступает как один из них. При структуре системы ввода/вывода с ОШ аппаратура управления вводом /выводом рассредоточена по отдельным модулям и ее объем существенно зависит от количества используемых ВУ, особенно ВУ, требующих контроллеров прямого доступа к ОП. Однако при организации системы ввода/вывода процессор не полностью освобождается от управления операциями обмена; более того, во время операций ОШ занята передачей данных и связь ЦП ¾ ОП блокируется, снижая производительность ЭВМ.

СВ/В на основе каналов (процессоров) ввода/вывода (рис.8.2) используется в ЭВМ общего назначения и в супер-ЭВМ. В этом случае обмен информацией между ОП и ВУ производится через каналы ввода/вывода (КВ/В), представляющие собой специализированные процессорыввода/вывода, централизующие аппаратуру управления вводом/выводом и обеспечивающие программно-управляемый обмен информацией.

Оперативная память (ОП)		ЦП
Канал1 в/в (КВ/В1)	……	Каналn в/в (КВ/Вn)
БУВУ1	….	БУВУk		БУВУ1	….	БУВУm
ВУ		ВУ		ВУ		ВУ

Рис.8.2

Благодаря наличию в СВ/В каналов, способных реализовывать достаточно сложные функции, появляется возможность полностью освободить ЦП от операций ввода/вывода. КВ/В управляются канальными программами, находящимися в ОП; поэтому ЦП лишь инициирует операцию ввода/вывода, указывает номера КВ/В и ВУ, участвующих в операции обмена, и адрес начала канальной программы для инициируемой операции обмена ОП с ВУ. Способ организации связи ВУ с КВ/В определяется соотношением быстродействия ОП и ВУ: быстрые(НГМД, НМД, НМБ, НМЛ) имедленные (принтеры, плоттеры и др.) при очень высокой скорости обмена с ОП. Поэтому КВ/В реализуют два режима обмена: монопольный и мультиплексный (разделения времени).

В первомслучае после установления связи между КВ/В и ВУ последнее монополизирует канал на все время выполнения инициированной ЦП канальной программы работы с данными ВУ и пока не будут произведены все предусмотренные этой программой передачи данных между ВУ и ОП. Во втором случае несколько ВУ разделяют во времени КВ/В; каждое из ВУ по мере готовности к операции обмена получает в свое распоряжение канал на определенный промежуток времени (квант).

Кванты связи различных ВУ чередуются между собой; в период кванта связи какого–либо ВУ другие могут выполнять операции, не связанные с КВ/В (печать, прием данных, подвод сканирующей головки и др.). Согласно преимущественно реализуемому режиму работы КВ/В делятся на селекторные (монопольный режим) и мультиплексные (режим мультиплексирования). Селекторный канал (СК) монополизирует ВУ на весь период операции обмена и недоступен для ЦП. Байт-мультиплексный канал (БМК) в режиме разделения времени обслуживает несколько одновременно работающих ВУ, попеременно организуя с ними кванты связи для передачи между ОП и ВУ небольших порций информации (несколько байтов). Средства канала, обслуживающие отдельный ВУ, называются логическими подканалами. Физически подканал реализуется в виде области памяти, в которой хранятся параметры операции ввода/вывода, выполняемой данным ВУ; данная область может находится в ОП либо в специальной памяти мультиплексногоканала. Число логических каналов определяет максимальное число одновременно работающих с данным каналом ВУ.

Лекция 9. Система внешних устройств ЭВМ (периферийное оборудование)

Если современный массовый ПК имеет достаточно ограниченный набор ВУ (как правило: клавиатура, дисплей, мышь, НГМД, НМД типа Винчестер и принтер), то мини- и ЭВМ общего назначения имеют достаточно обширную периферию ВУ различных типов, назначения и количества. Рассмотрим вначале концептуальную сторону вопроса, ориентируясь на некоторую общую классификацию ВУ различного класса ЭВМ (рис.9.1)

Всю совокупность современных ВУ можно классифицировать по двум основным группам (рис. 9.1): внешняя память и устройства ввода/вывода, наиболее типичные представители которых могут быть охарактеризованы следующим образом.

Первая группа ВУ обеспечивает расширение возможностей ЭВМ по обработке информации, предоставляя в распоряжение пользователя устройства для длительного хранения больших объемов информации, доступ к которой может быть достаточно быстрым. Все эти устройства образуют внешнюю память (ВП) ЭВМ. Структурно ВП состоит из внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и блоков управления (БУВУ); связь с другими компонентами ЭВМ обеспечивается посредством системы ввода/вывода, рассмотренной выше. ВЗУ обеспечивает оперативную работу с ОП. ЭВМ, так и длительное хранение информации. Оперативный обмен с ВП предполагает использование, прежде всего, быстрых ВЗУ с прямым доступом (например, НГМД и НМД); тогда как функции хранения больших объемов информации возлагаются, как правило, на более медленные ВЗУ с последовательным доступом ¾ накопители на магнитных лентах (НМЛ) различных типов и организации. Обычно НМЛ используются в мини-, супер- и общего назначения ЭВМ для архивного хранения данных и программ, ибо последовательный метод к ним делает нецелесообразным использование их в качестве ВП оперативного обмена. Наряду с традиционным оформлением магнитных лент в виде бобин используются картриджи, стримеры (особенно для ПК) и др.

Накопители на магнитных дисках (НМД) отличаются большим разнообразием конструктивного и эксплутационного характера, обладая общими важными чертами: большой скоростью обмена информацией и возможностью прямого доступа к ней, вместе с тем позволяя хранить достаточно большие объемы информации (до сотен гигабайт). Единицей носителя информации для НМД является том (пакет дисков, дискета); по режиму эксплуатации НМД деляться на стационарные и съемные. НМД стационарного типа имеют, как правило, большие емкости и скорость обмена, являясь ядром ВП ЭВМ. В качестве съемных используются тома емкостью 50-200 Мбайт, что характерно для мини- и общего назначения ЭВМ. Класс ПК в качестве устройств ВП использует стационарные НМД типа Винчестер (емкостью свыше 10 Гбайт) и накопители на гибких магнитных дисках НГМД (емкостью до 100 Мбайт). Тома НГМД являются сменными. Так как НМД имеют большие емкости и скорость обмена, они составляют основу ВП компьютеров, которая содержит базовое системное и прикладное ПО, а также данные для оперативной обработки.

Промежуточной между НМЛ НМД является так называемая массовая память (MS ¾ mass storage), представляющая собой большой набор соединенных между собой бобин общей емкостью порядка сотен гигабайт. Такая память по скорости доступа занимает промежуточное положение между НМЛ и НМД. Другим видом массовой памяти являются накопители на оптических дисках (НОД). По режиму использования НОД делятся на “только для чтения” (CD-ROM) и “с однократной записью” (CD-WORM), емкость которых измеряется в гигабайтах. НОД первого типа содержат информацию только для чтения, второго ¾ однажды записанная пользователем информация не может быть изменена без специального оборудования. По причине большой емкости и способа использования НОД представляют интерес для архивирования информации и в качестве удобного средства ее транспортировки. В настоящее время массовая память используется на ЭВМ всех классов.

В последние годы в противовес НМД большой емкости появились НОД, допускающие обычные способы доступа к информации (запись/чтение). Такие диски превышают по емкости обычные НМД. В настоящее время все шире начинают использоваться накопители на цилиндрических магнитных доменах (НЦМД), характеризующиеся отсутствием механических узлов, высокими надежностью и стойкостью к внешней среде, а также возможностью предварительных сортировки и логической обработки информации в самом накопителе.

Вторую группу ВУ составляют УВВ, которые по функциональному назначению и для удобства можно классифицировать по нескольким подгруппам. Первую подгруппу составляют средства общения пользователя с ЭВМ, которые позволяют не только управлять работой ЭВМ, но и вводить необходимую информацию с визуализацией выполняемой машинной работы. К этой подгруппе относятся клавиатура и дисплей (монитор), которые совместно составляют консоль любой ЭВМ. К дисплеям ПК предъявляются повышенные требования (графический режим, многоцветность, четкость, безопасность и т.д.). Наиболее распространенными способами формирования символов на экране являются функциональный и растровый, различающиеся системами формирования и вывода символов на экран. Микропрограмма управления работой дисплея находится в ПЗУ. По виду представляемой информации дисплеи делятся на алфавитно-цифровые, квазиграфические и графические; первые из них служат только для отображения текстовой информации, используя фиксированный набор символов. Квазиграфические дисплеи отличаются от алфавитно-цифровых наличием дополнительных графических элементов (графем).

Графические дисплеи используют точечное задание изображений и растровый способ их отображения, делясь по цветности на монохроматические (черно-белые) цветные. Недостатком точечных дисплеев являются большие временные затраты на регенерацию изображений и объем видеопамяти, содержащей всю информацию о точечных элементах ¾ пикселях. Монохроматические дисплеи, как правило, используются в условиях производственного применения ЭВМ и в некоторых типах портативных ПК, тогда как основная масса ПК использует цветные мониторы. В последние годы все шире применяются графические дисплеи, использующие вместо точечного векторный способ представления элементов изображения. Усложнение отображаемой графическими дисплеями информации потребовало включения в него видеоадаптера ¾ спецпроцессора обработки и генерации изображений. Развитие дисплеев для ПК идет по пути увеличения разрешающей способности (размерности пиксельной матрицы), расширения палитры и объема видеопамяти адаптера. В настоящее время основными для ПК являются модификации VGA-монитора, имеющие высокие технические характеристики, к которым относятся разрешающая способность, количество цветов и размер диагонали.

Для управления курсором (средством визуализации на экране) используется устройство мышь.Световое пероявляется важным дополнением дисплея на электронно-лучевых трубках, позволяя в сочетании со вторым не только управлять курсором, но и рисовать графические объекты, снимать значения координат любых точек экрана, а также вводить определенную информацию. Световое перо используется, в основном, для выделения на экране частей графических объектов. В некоторых конструкциях дисплеев для ПК реализован сенсорный принцип управления курсором, когда идентификация местоположения на экране фиксируется путем простого прикосновения к нужному месту пальцем или другим предметом; недостатком такого метода является его невысокая точность.

Средства вывода информации составляют весьма широкий спектр ВУ современных ЭВМ, позволяя получить результаты работы в удобном для пользователя виде. Прежде всего, упомянем уже отмирающие устройства ввода/вывода на перфокарты и перфоленты. Для создания твердых копий алфавитно-цифровой и графической информации используются различного типа принтеры, основными из которых являются: матричные, “ромашка”, струйные, термографические, лазерные, последние из которых находят все более широкое применение для получения высококачественных печатных материалов. Они допускают наряду с бумажным носителем использование специальной пленки, впоследствии непосредственно используемой в издательских целях. К ЭВМ принтеры подключаются через параллельный Centronics-интерфейс или последовательный типа RS-232C. Из наиболее удачных и доступных современных лазерных принтеров мощно отметить модели HP LaserJet 6P (с плотностью печати 600 dpi и производительностью 8 стр/мин) фирмы Hewlett-Packard (США) матричных принтеров моделей Epson одноименной японской фирмы. Для вывода графической информации, в первую очередь научного и инженерно-технического характера (САПРы, АРМы и др.), используются плоттеры (графопостроители), спектр типов которых достаточно широк; среди этого спектра следует выделить лазерные плоттеры высокой производительности, информативности и качества.

Устройства вывода звуковой информации ¾ это в первую очередь, устройства для воспроизведения музыки (синтезаторы, музыкальные платы, звукогенераторы и др.), генерирующие сигналы различного назначения. Для унификации компьютерных и электронных музыкальных устройств разработан стандарт MIDI (Musical Instrument Digital Interface).

Средства ввода информации также имеют достаточно широкий спектр, постоянно пополняемый за счет появления новых перспективных устройств. Если для класса ПК характерен ввод информации непосредственно с клавиатуры или по каналам связи, то другие классы ЭВМ, обрабатывающие большие объемы информации, дополнительно к сказанному используют специальные средства подготовки информации (СПИ). Современные СПИ представляют собой аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие: ввод, кодирование, верификацию, программный контроль исходной информации, корректировку и запись на машинный носитель.

В настоящее время используется множество типов различного рода устройств ввода (сканеры, портативные терминалы, регистраторы и т.д.), как непосредственно передающие информацию в ЭВМ, так и фиксирующие ее на промежуточный носитель. Используя средства сканирования, соответствующее программное обеспечение и лазерные принтеры, появляется возможность создания эффективных настольных издательских систем на основе ПК.

Распознавание речи ¾ важнейшее направление исследований по созданию ЭВМ последующих поколений. Задача ввода информации голосом оказалась довольно сложной и в настоящее время решается только при целом ряде упрощений: ограниченный словарь из специально подобранных слов, определенный диктор, допустимость ошибки при распознавании, раздельное произнесение слов и т.д.

С полным основанием к периферийному оборудованию мини-, супер-и общего назначения ЭВМ можно отнести различного рода терминалы автоматизированные рабочие места (АРМы). Под терминалом понимается оконечное устройство пользователя, обеспечивающее возможность обмена информацией по каналу связи с удаленной ЭВМ. Под АРМом понимают проблемно-ориентированный комплекс аппаратно-программных средств, являющийся оконечным устройством пользователя в составе некоторого САПР. Наконец, в более общем виде к периферийным средствам можно отнести и аппаратные средства обеспечения телеобработки ¾ такой организации обработки информации, при которой ресурсы ЭВМ одновременно используются многими удаленными пользователями через различные виды средств связи.