39 2 Глава 8. Системы ввода/вывода

Модули ввода/вывода Функции модуля

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 ЦП — с другой. Основные функции МВБ можно сформулировать следующим образом:

- локализация данных;

- управление и синхронизация;

- обмен информацией;

- буферизация данных;

- обнаружение ошибок.

Локализацияданных

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. Старшие разряды в адресах диапазона, выделенного модулю, обычно одинаковы и обеспечивают выбор одного из МВБ в рамках системы ввода/вывода. Младшие разряды адреса представляют собой уникальные адреса регистров данного модуля или подключенных к нему ВУ.

Одной из функций МВБ 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 МВБ 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 МВБ организации процедуры поиска на носителе информации.

Управление и синхронизация

Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВБ 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.

Модули ввода/вывода 393

Прежде всего, нужно принимать во внимание, что ЦП может взаимодействовать одновременно с несколькими ВУ, причем быстродействие подключаемых к МВБ 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. Если в системе используются шины, каждое взаимодействие между ЦП и МВБ включает в себя одну или несколько процедур арбитража.

В отличие от обмена с памятью процессы ввода/вывода и работа ЦП протекают не синхронно. Очередная порция информация может быть выдана на устройство выводалишь 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), описанной в главе 4. Для двухпроводной системы синхронизации эта процедура состоит из четырех шагов, которые применительно к операции вывода можно описать следующим образом:

1. Центральный процессор с помощью сигналаДД - 1 (данные достоверны) изве-

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

3. Получив подтверждение, ЦП 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 ДД после чего оно готово для обработки принятых данных все время до получения очередного сигнала ДД = 1.

Описанную процедуру иллюстрирует рис. 8.4 (в скобках указаны номера шагов).

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.

Обмен информацией

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

39 4 Глава 8. Системы ввода/вывода

из типовой последовательности операций, выполняемых процессором при вводе/ выводе. ,

1. Выбор требуемого внешнего устройства.

2. Определение состояния МВБ и ВУ.

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

4. Получение от МВБ 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.

С учетом описанной процедуры функция обмена информацией с ЦП включает в себя:

- дешифровку команды: МВБ получает команды из ЦП в виде сигналов на шине

управления;

- пересылку данных между МВБ и ЦП по шине данных;.

- извещение о состоянии: из-за того, что ВУ — медленные устройства, важно знать

состояние модуля ввода/вывода. Так, в момент получения запроса на пересылку данных в центральный процессор МВБ может быть не готов выполнить эту пересылку, поскольку еще не завершил предыдущую команду. Этот факт должен быть сообщен процессору с помощью соответствующего сигнала. Возможны также сигналы, уведомляющие о возникших ошибках;

- распознавание адреса; МВБ обязан распознавать адрес каждого ВУ, которым

он управляет.

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

Буферизация

Важной задачей модуля ввода/вывода является буферизация данных, необходимость которой иллюстрирует табл. 8.1 [120].

Таблица 8.1. Примеры устройств ввода/вывода, упорядоченные по режимуработы, субъекту и скорости передачи данных


Устройств	Режим работы	Партнер	Скорость ППрОДГИ! ДП1ИЙПГ. Кбайт/с
Клавиатура	Ввод	Человек	0.01
Мышь	Ввод	Человек	0.02

Модули ввода/вывода 3 9 S


Устройство	Режим работы	Партнер	Скорость передачи данных, Кбайт/с
Сканер	Ввод	Человек	200
Строчный принтер	Вывод	Человек	1
Лазерный принтер	Вывод	Человек	100
Графический дисплей	Вывод	Человек	30 000
Локальная сеть	Ввод/вывод	ВМ	200
Гибкий диск	Память	ВМ	50
Оптический диск	Память	ВМ	500
Магнитный диск	Память	ВМ	2000

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 МВБ с большой скоростью. В модуле эти данные буферизиру-ются 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, МВБ должен обладать способное-

Обнаружение ошибок

Еще одной из важнейших функций МВБ 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:

в 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.

Степень влияния каждого из этих факторов зависит от типаи конструкции МВБ и ВУ, Так, к загрязнению наиболее чувствительны оптические и механические элементы ВУ, в то время как работа электронных компонентов СВВ в большей степени зависит от температуры внешней среды, электромагнитного воздействия и стабильности питающего напряжения.

3 9 6 Глава 8. Системы ввода/вывода

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 МВБ или внутри МВБ.

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

Ш 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:

Я нарушение последовательности выполнения программы;

- некорректные процедуры.

Вероятность возникновения ошибки внутри процессора для современных ЦП оценивается величиной порядка 10"', в то время как для остальных составляющих ВМ она лежит в диапазоне Ю^-КГ¹².

Способы обнаружения и исправления ошибок ввода/вывода практически не отличаются от рассмотренных в главе 5.

Структура модуля

Структура МВБ в значительной мере зависит от числа и сложности внешних устройств, которыми он управляет, однако в самом общем виде такой модуль можно представить в форме, показанной на рис. 8,5.

Связь модуля ввода/вывода с ядром ВМ осуществляется посредством системной или специализированной шины. С этой стороны в МВБ реализуется так называемый "большой" интерфейс. Большие различия в архитектуре систем команд и шин ВМ являются причиной того, что со стороны "большого" интерфейса модули ввода/вывода достаточно трудно унифицировать, и часто МВБ, созданные для одних ВМ, не могут быть использованы в других. Тем не менее в структурном плане они достаточно схожи.

Данные, передаваемые в модуль и из него, буферизируются в регистре данных. Буферизация позволяет компенсировать различие в быстродействии ядра ВМ и внешних устройств. Разрядность регистра, как правило, совпадает с шириной шины данных со стороны «большого» интерфейса (2, 4 или 8 байт). В свою очередь, большинство ВУ ориентировано на побайтовый обмен информацией. Побайтовая пересылка информации по «широкой» системной шине — крайне неэффективное решение, поэтому со стороны «малого» интерфейса регистр данных часто дополняют узлом упаковки/распаковки (на схеме не показан). Этот узел при вводе обеспечивает последовательное побайтовое заполнение регистра данных (упаковку),



	39 2 Глава 8. Системы ввода/вывода

	Модули ввода/вывода Функции модуля 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 ЦП — с другой. Основные функции МВБ можно сформулировать следующим образом: - локализация данных; - управление и синхронизация; - обмен информацией; - буферизация данных; - обнаружение ошибок. Локализацияданных 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. Старшие разряды в адресах диапазона, выделенного модулю, обычно одинаковы и обеспечивают выбор одного из МВБ в рамках системы ввода/вывода. Младшие разряды адреса представляют собой уникальные адреса регистров данного модуля или подключенных к нему ВУ. Одной из функций МВБ 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 МВБ 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 МВБ организации процедуры поиска на носителе информации. Управление и синхронизация Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВБ 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.