Организация ввода-вывода.

Для передачи информации (данных) от одного узла системы к другому необходимо обеспечить физическую и логическую связь между ними, т.е. сопряжение. Такое сопряжение называетсяинтерфейсом. Понятие “Интерфейс” является совокупным. Под ним подразумевается совокупность аппаратных (схем, узлов, линий, сигналов) и программных (алгоритмов) средств, необходимых для передачи информации от одного узла системы к другому. Интерфейсы делятся на два типа – последовательный и параллельный в зависимости от того, как по нему передаются данные – побитно или словами.

Физическая реализация интерфейса - это шина, т.е. совокупность электрических линий. Обычно линии делятся по их функциональному назначению на три группы: шина адреса (ША), шина данных (ШД), шина управления (ШУ). Количество линий в шинах адреса и данных определяет их разрядность. Минимальная разрядность шины данных - 8. Такую разрядность имеет интерфейс ввода-вывода, по которому осуществляется обмен данными между внешними устройствами и центральной частью системы. Разрядность шины данных системного интерфейса определяет быстродействие системы. Разрядность шины адреса зависит от объема оперативной памяти системы.

Информационную систему, построенную на базе ЭВМ можно разделить на две части: центральную (обрабатывающую) и периферийную (внешнюю). В центральной части узлы связаны между собой системным интерфейсом, который отличается высокой разрядностью шины данных и быстродействием. В принципе центральная часть может иметь несколько интерфейсов.

Для связи центральной части с внешними устройствами обычно организуется интерфейс ввода-вывода, который имеет низкую разрядность и быстродействие. Это объясняется тем, что внешние устройства содержат механические узлы, значительно снижающие их быстродействие.

Управление процессом обмена данными по интерфейсу ввода-вывода осуществляет периферийный процессор ввода-вывода. Если вводом-выводом управляет ЦП, то на время обмена информации между ОЗУ и ВУ

процессор прерывает свою работу над основной ( рабочей ) программой.

Прерывание может быть программным и внепрограммным.

При программном прерывании ЦП работает по подпрограмме обработки прерывания ( драйверу ), а данные передаются через внутренний регистр процессора.

При внепрограммном прерывании процедурой ввода - вывода управляет контроллер прямого доступа (КПД), а ЦП - находится в режиме ожидания окончания ввода и вывода данных.

Современные ЭВМ имеют так называемую открытую архитектуру, т.е. позволяют менять структуру (объем и номенклатуру) внешних устройств, следовательно, интерфейс ввода-вывода является унифицированным. В то же время внешние устройства являются специализированными и требуют индивидуальных управляющих сигналов и алгоритма обмена ими.

Для согласования унифицированных сигналов и алгоритмов интерфейса ввода-вывода с индивидуальными сигналами и алгоритмами конкретного внешнего устройства применяются устройства управления, называемые контроллерами и адаптерами. Интерфейс между контролером и внешним устройством называется малым, рис.2.

Рис. 2. Структурная схема ввода-вывода.

Контролеры могут быть групповыми и многофункциональными. Групповые - обслуживают несколькооднотипных внешних устройств, а многофункциональные – несколько различных устройств.

Многофункциональный контролер представляет собой специализированную микро-ЭВМ, работающую по алгоритмам обмена информацией с внешними устройствами, имеющими различный состав малого интерфейса. При этом контролер позволяет управлять несколькими внешними устройствами с разделением во времени.

Контроллеры, управляющие одним внешним устройством, называются одиночнымииимеют, как правило, аппаратную реализацию функций и жесткую логику.

В простейших информационных системах построенных на базе простых персональных ЭВМ системный интерфейс является одновременно и интерфейсом ввода-вывода, т.е. все составляющие информационной системы связаны единым интерфейсом, который называется интерфейсом общая шина.

В этом случае обмен информацией (данными) между устройствами осуществляется под управлением центрального процессора. Следовательно, для организации обмена данными с внешними устройствами центральный процессор должен прервать выполнение основной программы. Прерывание может быть программным и внепрограммным.

При программном прерывании центральный процессор, получив команду ввода-вывода, переходит к подпрограмме обработки прерывания, например, драйверу работы с устройством ввода. Процессор обращается к ВУ, получает от него байт данных, записывает его в свой внутренний регистр, затем обращается к определенной ячейке памяти (ОЗУ) и передает в нее этот байт информации. Такое управление обменом называется программным и является неэффективным.

С целью сокращения времени для передачи информации в ОЗУ или вывода из нее организуется прямой доступ внешнего устройства к оперативной памяти. В этом случае центральный процессор, получив из программы команду ввода - вывода передает управление обменомконтролеру прямого доступа(КПД) или периферийному процессору ввода-вывода, который формирует адреса ячеек памяти и соответствующие управляющие сигналы. Такое прерывание называется внепрограммным или прерыванием прямого доступа. Контролер прямого доступа включается между системным интерфейсом и управляющим контролером внешнего устройства. На рисунке 3 показано включение контролера прямого доступа при системном интерфейсе “Общая шина”. Следует отметить, что для эффективного применения прерывания прямого доступа необходимо

Рис. 3. Структурная схема вычислительной системы с системным интерфейсом ОБЩАЯ ШИНА.

В современных, относительно несложных информационных системах, построенных на базе персональных компьютеров, все управляющие контролеры располагаются внутри системного блока, а процессор ввода-вывода - на системной (материнской) плате.

На рисунке 4 в качестве примера приведена структурная схема одного из перспективных персональных компьютеров, позволяющих организовать информационную систему среднего класса.

Рис.4. Структурная схема одного из перспективных персональных компьютеров.

Пояснения к рисунку 4.

CPU - центральный процессор.

FSB - интерфейс центрального процессора.

Слот AGP4X - слот подключения внешнего графического адаптера, (графический порт).

Memory Controller Hub - контроллер оперативной памяти и графического порта.

RDRAM - оперативная память,

Isochronous Hub Link - интерфейсввода - вывода.

I/O Coutroller Hub - контроллер (процессор) ввода -вывода.

Порт USB - последовательный универсальный порт для внешних устройств.

Порт IDE - порт для подключения жестких дисков.

СлотPCI - слотыподключения к контроллерувнешних устройств.

Слот AMR - звуковой выход.

Super I/O - контроллерпортов ввода - вывода.

Firmware Hub - постоянная перезаписываемая память системного и видео BIOS.

USB, IDE, LPC, PCI - интерфейсы и соответствующие им протоколы обмена,

Кодирование информации.

Вся информация в системах построенных на базе ЭВМ представляется в виде двоичных чисел различной разрядности. Разряды одного числа, например байта, могут передаваться одновременно по линиям интерфейсной шины (параллельный интерфейс, параллельная передача, параллельный формат числа), но могут передаваться и по одной линии бит за битом (последовательный интерфейс, последовательная передача, последовательный формат числа).

В информационных системах обрабатываемая информация имеет текстовую или графическую форму. Текст состоит из набора символов. Каждому символу присваивается определенный (обычно восьмиразрядный) двоичный код в соответствии с одной из принятых кодовых таблиц.

Графическая информация монохроматического вида представляется как совокупность светлых и темных точек. Каждой точке (пикселю) соответствует один двоичный разряд (0 и 1) в зависимости от ее яркости. Для передачи полутонов яркость пикселя указывается многоразрядным кодом.

Полихроматическое (цветное) изображение составляется из множества мельчайших точек различного цвета. В этом случае для кодирования одного пикселя используются многоразрядные коды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: