Методы управления вводом/выводом

В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода (В/ВЫВ):

- программно управляемый ввод/вывод;

- ввод/вывод по прерываниям;

- прямой доступ к памяти.

При программно управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия происходят по инициативе центрального процессора и под его полным контролем. ЦП выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода/вывода, включая проверку состояния устройства, выдачу команд ввода или вывода. Выдав в МВВ команду, центральный процессор должен ожидать завершения ее выполнения, и, поскольку ЦП работает быстрее, чем МВВ, это приводит к потере времени.

Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды В/ВЫВ. Как и при программно управляемом В/ВЫВ, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в память (при вводе). Повышение как скорости В/ВЫВ, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий способ В/ВЫВ – прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией напрямую, минуя процессор.

Программно управляемый ввод/вывод

Наиболее простым методом управления вводом/выводом является программно управляемый ввод/вывод, часто называемый также вводом/выводом с опросом. Здесь ввод/вывод происходит под полным контролем центрального процессора и реализуется специальной процедурой ввода/вывода. В этой процедуре ЦП с помощью команды ввода/вывода сообщает модулю ввода/вывода, а через него и внешнему устройству о предстоящей операции. Адрес модуля и ВУ, к которому производится обращение, указывается в адресной части команды ввода или вывода. Модуль исполняет затребованное действие, после чего устанавливает в единицу соответствующий бит в своем регистре состояния. Ничего другого, чтобы уведомить ЦП, модуль не предпринимает. Следовательно, для определения момента завершения операции или пересылки очередного элемента блока данных процессор должен периодически опрашивать и анализировать содержимое регистра состояния МВВ.

Иллюстрация процедуры программно управляемого ввода блока данных с устройства ввода приведена на рис. 4.5. Данные читаются пословно. Для каждого читаемого слова ЦП должен оставаться в цикле проверки, пока не определит, что слово находится в регистре данных МВВ, то есть доступно для считывания.

Процедура начинается с выдачи процессором команды ввода, в которой указан адрес конкретного МВВ и конкретного ВУ. Существуют четыре типа команд В/ВЫВ, которые может получить МВВ: управление, проверка, чтение и запись.

Команды управления используются для активизации ВУ и указания требуемой операции. Например, в устройство памяти на магнитной ленте может быть выдана команда перемотки или продвижения на одну запись. Для каждого типа ВУ характерны специфичные для него команды управления.

Команда проверки применяется для проверки различных ситуаций, возникающих в МВВ и ВУ в процессе ввода/вывода. С помощью таких команд ЦП способен выяснить, включено ли ВУ, готово ли оно к работе, завершена ли последняя операция ввода/вывода и не возникли ли в ходе ее выполнения какие-либо ошибки. Действие команды сводится к установке или сбросу соответствующих разрядов регистра состояния МВВ.

Команда чтения побуждает модуль получить элемент данных из ВУ и занести его в регистр данных (РД). ЦП может получить этот элемент данных, запросив МВВ поместить его на шину данных.

Команда записи заставляет модуль принять элемент данных (байт или слово) с шины данных и переслать его в РД с последующей передачей в ВУ.

Если к МВВ подключено несколько ВУ, то в процедуре ввода/вывода нужно производить циклический опрос всех устройств, с которыми в данный момент производятся операции В/ВЫВ.

Рис. 4.5. Программно управляемый ввод данных

Если к МВВ подключено несколько ВУ, то в процедуре ввода/вывода нужно производить циклический опрос всех устройств, с которыми в данный момент производятся операции В/ВЫВ.

Из блок-схемы явно виден основной недостаток программно управляемого В/ВЫВ – неэффективное использование процессора из-за ожидания готовности очередной порции информации, в течение которого никаких иных полезных действий ЦП не выполняет. Кроме того, пересылка даже одного слова требует выполнения нескольких команд. ЦП должен тратить время на анализ битов состояния МВВ, запись в МВВ битов управления, чтение или запись данных со скоростью, определяемой внешним устройством. Все это также отрицательно сказывается на эффективности ввода/вывода.

Главным аргументом в пользу программно управляемого ввода/вывода является простота МВВ, поскольку основные функции по управлению В/ВЫВ берет на себя процессор. При одновременной работе с несколькими ВУ приоритет устройств легко изменить программными средствами (последовательностью опроса). Наконец, подключение к СВВ новых внешних устройств или отключение ранее подключенных также реализуется без особых сложностей.

Ввод/вывод по прерываниям

Как уже отмечалось, основным недостатком программно управляемого В/ВЫВ являются простои процессора в ожидании, пока модуль ввода/вывода выполнит очередную операцию. Альтернативой может быть вариант, когда ЦП выдает команду В/ВЫВ, а затем продолжает делать другую полезную работу. Когда ВУ готово к обмену данными, оно через МВВ извещает об этом процессор с помощью запроса на прерывание. ЦП осуществляет передачу очередного элемента данных, после чего возобновляет выполнение прерванной программы.

Обсудим процесс ввода блока данных с использованием В/ВЫВ по прерываниям (рис. 4.6). Оставим без внимания такие подробности, как сохранение и восстановления контекста, действия, выполняемые при завершении пересылки блока данных, а также в случае возникновения ошибок.

Процедура ввода блока данных по прерываниям реализуется следующим образом: ЦП выдает команду чтения, а затем продолжает выполнение других заданий, например другой программы. Получив команду, МВВ приступает к вводу элемента данных с ВУ. Когда считанное слово оказывается в регистре данных модуля, МВВ формирует на управляющей линии сигнал прерывания ЦП. Выставив запрос, МВВ помещает введенную информацию на шину данных, после чего он готов к следующей операции В/ВЫВ. ЦП в конце каждого цикла команды проверяет наличие запросов прерывания. Когда от МВВ приходит такой сигнал, ЦП сохраняет контекст текущей программы и обрабатывает прерывание. В рассматриваемом случае ЦП читает слово из модуля, записывает его в память и выдает модулю команду на считывание очередного слова. Далее ЦП восстанавливает контекст прерванной программы и возобновляет ее выполнение.

Рис. 4.6. Организация ввода-вывода по прерыванию

Этот метод эффективнее программно управляемого В/ВЫВ, поскольку устраняет ненужные ожидания, однако обработка прерывания занимает достаточно много времени ЦП. Кроме того, каждое слово, пересылаемое из памяти в модуль В/ВЫВ или в противоположном направлении, как и при программно управляемом В/ВЫВ, проходит через ЦП.

Прямой доступ к памяти

Хотя ввод/вывод по прерываниям эффективнее программно управляемого, оба этих метода страдают двумя недостатками:

- темп передачи при вводе/выводе ограничен скоростью, с которой ЦП в состоянии опросить и обслужить устройство;

- ЦП вовлечен в управление передачей, для каждой пересылки он должен выполнить определенное количество команд.

Когда пересылаются большие объемы данных, требуется более эффективный способ ввода/вывода – прямой доступ к памяти (ПДП). ПДП предполагает наличие на системной шине дополнительного модуля – контроллера прямого доступа к памяти (КПДП), способного брать на себя функции ЦП по управлению системной шиной и обеспечивать прямую пересылку информации между ОП и ВУ, без участия центрального процессора. В сущности, КПДП – это и есть модуль ввода/вывода, реализующий режим прямого доступа к памяти.

Если ЦП желает прочитать или записать блок данных, он прежде всего должен поместить в КПДП информацию, характеризующую предстоящее действие. Этот процесс называется инициализацией КПДП и включает в себя занесение в контроллер следующих четырех параметров:

- вида запроса (чтение или запись);

- адреса устройства ввода/вывода;

- адреса начальной ячейки блока памяти, откуда будет извлекаться или куда будет вводиться информация;

- количества слов, подлежащих чтению или записи.

Первый параметр определяет направление пересылки данных: из ОП в ВУ или наоборот. За исходную точку обычно принимается память, поэтому под чтением понимают считывание данных из ОП и выдачу их на устройство вывода, а под записью – прием данных из устройства ввода и запись в ОП. Вид запроса запоминается в схеме логики управления контроллера.

К КПДП обычно могут быть подключены несколько ВУ, а адрес УВВ конкретизирует, какое из них должно участвовать в предстоящем обмене данными. Этот адрес также запоминается в логике управления КПДП.

Третий параметр – адрес начальной ячейки – хранится в регистре адреса (РА) контроллера. После передачи каждого слова содержимое РА автоматически увеличивается на единицу, то есть в нем формируется адрес следующей ячейки ОП. Размер блока в словах заносится в счетчик данных (СД) контроллера. После передачи каждого слова содержимое СД автоматически уменьшается на единицу. Нулевое состояние СД свидетельствует о том, что пересылка блока данных завершена.

После инициализации процесс пересылки информации может быть начат в любой момент. Инициаторами обмена вправе выступать как ЦП, так и ВУ.