Эволюция принципов обмена информацией в ЭВМ

ЭВМ первого поколения работали с устройствами ввода-вывода (УВВ), имевшими невысокие скоростные характеристики и использовавшими бумажные носители информации (перфокарты и перфоленты). Вывод данных осуществлялся, в основном, с помощью медленных АЦПУ (алфавитно-цифровых печатающих устройств).

При вводе-выводе центральное устройство ЭВМ (процессор) брал на себя все функции по управлению обменом и не мог использоваться для решения задач. В ЭВМ 1-го поколения использовался центрально-синхронный принцип управления вводом-выводом.

Длительность решения любой задачи в таких ЭВМ может быть оценена выражением:

Тр = (а_оТ_о + а_ввТ_вв)n, где:

а_о — относительная доля арифметико-логических операций в программе;

Т_о — среднее время операций обработки данных;

а_вв — доля операций ввода-вывода в реализуемой программе; Т_вв — среднее время выполнения операций ввода-вывода;

n — общее количество выполняемых команд программы.

В ЭВМ 2-го поколения появились новые идеи организации процесса вычисления и последовавшие за этим новые технические решения:

а) прерывание вычислительного процесса;
б) мультипрограммный способ работы ЭВМ;
в) элементы операционных систем;
г) алгоритмические языки высокого уровня.

Все это потребовало увеличения производительности ядра ЭВМ (процессора и памяти) и существенного роста скоростных характеристик УВВ.

На повестку дня встали вопросы, связанные с коренным пересмотром принципов организации ввода - вывода (обмена данными). Тем более что в это время значительно увеличились скоростные характеристики ряда периферийных устройств (ПУ) и появились новые ПУ (графопостроители, НМЛ, быстрые принтеры).

В ЭВМ 3-го поколения была сделана удачная попытка увеличить общую производительность ЭВМ за счет двух основных факторов:

· Совмещение во времени операций ввода-вывода с операциями обработки данных процессором.

· Обеспечение одновременного ввода-вывода с нескольких ПУ.

Данная задача была решена путем построения ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода (СВВ). Структура такой ЭВМ приведена на Рис. 1.

Рис. 1.Структура ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода, где:

ПУ — периферийные устройства:
МП — «медленная» периферия, БП — «быстрая».

В структуре на Рис. 1 реализованы два основных режима:

· мультиплексный режим — обслуживание «одновременно» нескольких ПУ с помощью мультиплексного канала (МК) (МК в системе не более одного);

· монопольный режим — обслуживание одним селекторным каналом (СК) только одного ПУ, подключенного к нему (количество СК до 8).

Наряду с ЭВМ с канальной структурой системы ввода-вывода, получили развитие ЭВМ, использующие шинную структуру системы обмена данными между компонентами ЭВМ (ПР, ОП, ПУ).

Такие ЭВМ получили название мини или микро ЭВМ. Их появление не в последнюю очередь диктовалось требованиями использовать ЭВМ в управлении производственными и технологическими процессами.

Они строились по модульному принципу — каждое устройство представляло собой отдельный, конструктивно законченный модуль. Структура такой системы приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Структура модульной системы.

- П — процессор (микропроцессор — МП). - ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
- ПЗУ— постоянное запоминающее устройство. - ОШ — общая шина (системная магистраль).
- ИМ — интерфейсный модуль (контроллер). - ПУ — периферийное устройство.

Основные принципы обмена информацией в ЭВМ такого типа:

· Только два устройства в каждый фиксированный момент времени могут обмениваться информацией (МП — ОЗУ, МП — ПУ или ПУ-ОЗУ).

· Управление обменом (управление Общей Шиной) берет на себя активное устройство или задатчик - МП или ПУ.

· Обмен осуществляется с использованием асинхронного принципа (запрос — ответ).

· Осуществляется механизм арбитража между устройствами.

· Реализуются три способа обмена данными через интерфейс ОШ:

— простой программно-управляемый обмен;

— программно-управляемый обмен с использованием прерываний;

— обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП).

В настоящее время процесс развития и совершенствования принципов обмена информацией идет по многим направлениям:

· Построение многошинных структур организации ЭВМ и СВВ.

· Повышение скорости обмена за счет т.н. «быстрых» интерфейсов.

· Применение МП, БИС и СБИС в компонентах СВВ, позволяющее повысить «интеллектуальность» ПУ.

· Переход от «индивидуальных» устройств к коллективным ПУ.

· Переход от централизованной обработки данных к децентрализованной (сети ЭВМ).

· Использование новых физических принципов в построении ПУ (квантово механические эффекты, нанотехнологии и др.).

· Создание мультимедиа систем — комплекса аудиовизуальных средств обмена информацией.