Организация ввода/вывода

Каждое ВУ подключается к МВВ посредством индивидуальной шины. Интерфейс, по которому организуется такое взаимодействие МВВ и ВУ, часто называют малым. Внешнее устройство, подключенное к МВВ, обычно называют периферийным устройством (ПУ). Все множество ПУ можно свести к трем категориям:

- для общения с пользователем;

- для общения с ВМ;

- для связи с удаленными устройствами.

Примерами первой группы служат видеотерминалы и принтеры. Ко второй группе причисляются внешние запоминающие устройства (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и т. п.), датчики и исполнительные механизмы. Наконец, устройства третьей категории позволяют ВМ обмениваться информацией с удаленными объектами, которые могут относиться к двум первым группам.

Рис.4.2. Структура внешнего устройства

Обобщенная структура ВУ показана на рис. 4.2. Интерфейс с МВВ реализуется в виде сигналов управления, состояния и данных. Данные представлены совокупностью битов, которые должны быть переданы в модуль ввода/вывода или получены из него. Сигналы управления определяют функцию, которая должна быть выполнена внешним устройством. Это может быть стандартная для всех устройств функция – посылка данных в МВВ или получение данных из него, либо специфичная для данного типа ВУ функция, такая, например, как позиционирование головки магнитного диска или перемотка магнитной ленты. Сигналы состояния характеризуют текущее состояние устройства, в частности включено ли ВУ и готово ли оно к передаче данных.

Логика управления – это схемы, координирующие работу ВУ в соответствии с направлением передачи данных. Задачей преобразователя является трансформация информационных сигналов, имеющих самую различную физическую природу, в электрические сигналы, а также обратное преобразование. Обычно совместно с преобразователем используется буферная память, обеспечивающая временное хранение данных, пересылаемых между МВВ и ВУ.

Модуль ввода/вывода в составе вычислительной машины отвечает за управление одним или несколькими ВУ и за обмен данными между этими устройствами с одной стороны, и основной памятью или регистрами процессора – с другой. Основные функции МВВ можно сформулировать следующим образом:

- локализация данных;

- управление и синхронизация;

- обмен информацией;

- буферизация данных;

- обнаружение ошибок.

Под локализацией данных будем понимать возможность обращения к одному из ВУ, а также адресации данных на нем.

Адрес ВУ обычно содержится в адресной части команд ввода/вывода. Как уже отмечалось, в состав СВВ могут входить несколько модулей ввода/вывода. Каждому модулю назначается определенный диапазон адресов, независимо от того, является ли пространство адресов совмещенным или раздельным.

Одной из функций МВВ является проверка вхождения поступившего по шине адреса в выделенный данному модулю диапазон адресов. При положительном ответе модуль должен обеспечить дешифровку поступившего адреса и перенаправление информации к адресуемому объекту или от него.

Для простейших внешних устройств (клавиатура, принтер и т.п.) адрес ВУ однозначно определяет и расположение данных на этом устройстве. Для более сложных ВУ, таких как внешние запоминающие устройства, информация о местонахождении данных требует детализации. Так, для ЗУ на магнитной ленте необходимо указать номер записи, а для магнитного диска – номер цилиндра, номер сектора и т.п. Эта часть адресной информации передается в МВВ не по шине адреса, а в виде служебных сообщений, пересылаемых по шине данных. Обработка такой информации в модуле, естественно, сложнее, чем выбор нужного регистра или ВУ. В частности, она может требовать от МВВ организации процедуры поиска на носителе информации.

Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВВ должен координировать перемещение данных между внутренними ресурсами ВМ и внешними устройствами. При разработке системы управления и синхронизации модуля ввода/вывода необходимо учитывать целый ряд факторов.

Прежде всего, нужно принимать во внимание, что ЦП может взаимодействовать одновременно с несколькими ВУ, причем быстродействие подключаемых к МВВ внешних устройств варьируется в очень широких пределах – от нескольких байтов в секунду в терминалах до десятков миллионов байтов в секунду при обмене с магнитными дисками.

В отличие от обмена с памятью процессы ввода/вывода и работа ЦП протекают не синхронно. Очередная порция информация может быть выдана на устройство вывода лишь тогда, когда это устройство готово их принять. Аналогично, ввод от устройства ввода допустим только в случае доступности информации на устройстве ввода. Несинхронный характер процессов ввода/вывода предполагает обмен сигналами, аналогичный процедуре «рукопожатия» (handshake). Для двухпроводной системы синхронизации эта процедура состоит из четырех шагов, которые применительно к операции вывода можно описать следующим образом:

1. Центральный процессор с помощью сигнала ДД=1 (данные достоверны) извещает о доступности данных, подлежащих выводу.

2. Приняв данные, устройство вывода сообщает процессору об их получении сигналом ДП=1 (данные приняты).

3. Получив подтверждение, процессор обнуляет сигнал ДД и снимает данные с шины, после чего может выставить на шину новые данные.

4. Обнаружив, что ДД=0, устройство вывода, в свою очередь, устанавливает в нулевое состояние сигнал ДП, после чего оно готово для обработки принятых данных все время до получения очередного сигнала ДД=1.

Описанную процедуру иллюстрирует рис. 4.3 (в скобках указаны номера шагов).

Рис. 4.3. Временная диаграмма процедуры

Таким образом, модуль ввода/вывода обязан снабдить центральный процессор информацией о собственной готовности к обмену, а также о готовности подключенных к модулю ВУ. Помимо этого, процессор должен обладать оперативными сведениями и об иных происходящих в СВВ событиях.

Основной функцией МВВ является обеспечение обмена информацией. Со стороны «большого» интерфейса – это обмен с ЦП, а со стороны «малого» интерфейса — обмен с ВУ. В таком плане требования к МВВ непосредственно проистекают из типовой последовательности операций, выполняемых процессором при вводе/выводе.

1. Выбор требуемого внешнего устройства.

2. Определение состояния МВВ и ВУ.

3. Выдача указания модулю ввода/вывода на подключение нужного ВУ к процессору.

4. Получение от МВВ подтверждения о подключении затребованного ВУ к процессору.

5. Распознавание сигнала готовности устройства к передаче очередной порции информации.

6. Прием (передача) порции информации.

7. Циклическое повторение двух предшествующих пунктов до завершения передачи информации в полном объеме.

8. Логическое отсоединение ВУ от процессора.

Наряду с обеспечением обмена с процессором МВВ должен выполнять функцию обмена информацией с ВУ. Такой обмен также включает в себя передачу данных, команд и информации о состоянии.

Несмотря на различия в скорости обмена информацией для разных ВУ, все они в этом плане значительно отстают от ЦП и памяти. Такое различие компенсируется за счет буферизации. При выводе информации на ВУ данные пересылаются из основной памяти в МВВ с большой скоростью. В модуле эти данные буферизируются и затем направляются в ВУ со скоростью, свойственной последнему. При вводе из ВУ данные буферизируются так, чтобы не заставлять память работать в режиме медленной передачи. Таким образом, МВВ должен обладать способностью работать как со скоростью памяти, так и со скоростью ВУ.

Еще одной из важнейших функций МВВ является обнаружение ошибок, возникающих в процессе ввода/вывода. Центральный процессор следует оповещать о каждом случае обнаружения ошибки. Причинами возникновения последних бывают самые разнообразные факторы, которые в первом приближении можно свести к следующим группам:

- воздействие внешней среды;

- старение элементной базы;

- системное программное обеспечение;

- пользовательское программное обеспечение.

Из наиболее «активных» факторов окружения ВМ следует выделить:

- загрязнение и влагу;

- повышенную или пониженную температуру окружающей среды;

- электромагнитное облучение;

- скачки напряжения питания.

Фактор старения характерен как для механических, так и для электронных элементов СВВ. В механических элементах он выражается в виде износа, следствием чего может быть неточное позиционирование головок считывания/записи на внешних запоминающих устройствах или неправильная подача бумаги в принтерах. Старение электронных элементов обычно выражается в изменении электрических параметров схем, приводящем к нарушению управления и синхронизации. Так, отклонения в параметрах электронных компонентов в состоянии вызвать недопустимый «перекос» сигналов, передаваемых между ЦП и МВВ или внутри МВВ.

Источником ошибок может стать и несовершенство системного программного обеспечения (ПО):

- непредвиденные последовательности команд или кодовые комбинации;

- некорректное распределение памяти;

- недостаточный размер буфера ввода/вывода;

- недостаточно продуманные и оттестированные комбинации системных модулей.

Среди ошибок, порождаемых пользовательским ПО, наиболее частыми являются:

- нарушение последовательности выполнения программы;

- некорректные процедуры.

Вероятность возникновения ошибки внутри процессора для современных ЦП оценивается величиной порядка 10^-18 в то время как для остальных составляющих ВМ она лежит в диапазоне 10^-8 – 10^-12.