Назначение системы ввода/вывода ЭВМ

Помимо центрального процессора (ЦП) и памяти, третьим ключевым элементом архитектуры ВМ является система ввода/вывода (СВВ). Система ввода/вывода призвана обеспечить обмен информацией между ядром ВМ и разнообразными внешними устройствами (ВУ). Технические и программные средства СВВ несут ответственность за физическое и логическое сопряжение ядра вычислительной машины и ВУ.

Под системой ввода/вывода понимается совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих выполнение операций ввода-вывода, связанных с передачей информации из оперативной памяти на внешние устройства и из внешних устройств в оперативную память.

Термин ввод/вывод определяет операционные процедуры:

- ВВОД – передачу данных от внешних устройств (ВУ) в ОП;

- ВЫВОД – передачу данных из ОП на ВУ.

Внешние устройства по отношению к ЭВМ являются источниками и потребителями информации и включают в свой состав обширный набор устройств различного функционального назначения.

В процессе эволюции вычислительных машин системам ввода/вывода по сравнению с прочими элементами архитектуры уделялось несколько меньшее внимание. Косвенным подтверждением этого можно считать, например, то, что многие программы контроля производительности (бенчмарки) вообще не учитывают влияние операций ввода/вывода на эффективность ВМ. Следствием подобного отношения стал существенный разрыв в производительности процессора и памяти, с одной стороны, и скоростью ввода/вывода – с другой.

Технически система ввода/вывода в рамках ВМ реализуется комплексом модулей ввода/вывода (МВВ). Модуль ввода/вывода выполняет сопряжение ВУ с ядром ВМ и различные коммуникационные операции между ними. Две основные функции МВВ:

- обеспечение интерфейса с ЦП и памятью («большой» интерфейс);

- обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устройствами («малый» интерфейс).

При этом возможны два варианта реализации СВВ: с использованием системы шин (системная магистраль) и построение иерархической структуры. Первый вариант используется при небольшом количестве ВУ и значительных ограничениях в стоимости системы. Второй вариант характерен для больших систем (мэйнфрэймы), когда необходимо подключение большого числа ВУ в том числе удаленных.

Анализируя первый вариант, можно выделить три основных способа подключения СВВ к ядру процессора. В первом случае (рис. 4.1, а) обмен информацией между процессором и памятью физически отделен от ввода/вывода, поскольку обеспечивается полностью независимыми шинами. Это дает возможность осуществлять обращение к памяти одновременно с выполнением ввода/вывода. Кроме того, данный архитектурный вариант ВМ позволяет специализировать каждую из шин, учесть формат пересылаемых данных, особенности синхронизации обмена и т.п. В частности, шина ввода/вывода, с учетом характеристик реальных ВУ, может иметь меньшую пропускную способность, что позволяет снизить затраты на ее реализацию. Недостатком решения можно считать большое количество точек подключения к процессору.

Второй способ – с совместно используемыми линиями данных и адреса (см. рис. 4.1, б). Память и СВВ имеют общие для них линии адреса и линии данных, разделяя их во времени. В то же время управление памятью и СВВ, а также синхронизация их взаимодействия с процессором осуществляются независимо по раздельным линиям управления. Это позволяет учесть особенности процедур обращения к памяти и к модулям ввода/вывода и добиться наибольшей эффективности доступа к ячейкам памяти и внешним устройствам.

Рис. 4.1. Место системы ввода/вывода в архитектуре ЭВМ:

а – с раздельными шинами памяти и ввода/вывода;

б – с совместно используемыми линиями данных и адреса;

в – подключение на общих правах с процессором и памятью

Последний тип архитектуры ВМ предполагает подключение СВВ к системной шине на общих правах с процессором и памятью (см. рис. 4.1, в). Потенциально возможен также вариант подключения внешних устройств к системной шине напрямую, без использования МВБ, но против него можно выдвинуть сразу несколько аргументов. Во-первых, в этом случае процессор пришлось бы оснащать универсальными схемами для управления любым ВУ. При большом разнообразии внешних устройств, имеющих к тому же различные принципы действия, такие схемы оказываются чересчур сложными и избыточными. Во-вторых, пересылка данных при вводе и выводе происходит значительно медленнее, чем при обмене между процессором и памятью, и было бы невыгодно задействовать для обмена информацией с ВУ высокоскоростную системную шину. И, наконец, в ВУ часто используются иные форматы данных и длина слова, чем в ВМ, к которым они подключены.