Ввод и вывод информации

Содержание:

Введение……………………………………………………………….................................3

1. Принципы организации ввода-вывода……………………………….5

2. Каналы ввода-вывода………………………………………………………………7

3. Интерфейсы ввода-вывода……………………………………………………10

4. Типы и характеристики стандартных шин ввода-вывод……………………………………………………………………………………………….13

5. Практическая часть………………..……………………………………………….16

6. Заключение……………………………….………………………………………….……….22

7. Список литературы…………………….…………………………………………...23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одной из главных функций операционной системы  является управление всеми  устройствами ввода-вывода компьютера. Операционная система должна передавать устройствам команды, перехватывать  прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс  между устройствами и остальной  частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для  всех типов устройств (независимость  от устройств).

При организации  ввода-вывода должны быть решены следующие  проблемы:

- Должна быть обеспечена  возможность реализации машины  с переменной конфигурацией (то  есть с переменным составом  оборудования). В первую очередь,  пользователь должен иметь возможность  легко дополнять машину новыми  устройствами, изменять состав периферийных  устройств в соответствии с  назначением электронно-вычислительных  машин (ЭВМ).

- Должна реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода/вывода.

- Для пользователя должно  быть упрощено и стандартизировано  программирование операций ввода-вывода, обеспечена независимость программирования  ввода/вывода от особенностей  того или иного периферийного  устройства.

- Должны быть обеспечены  автоматическое распознавание различных  ситуаций, возникающих в периферийных  устройствах, и реакция ядра ЭВМ на эти ситуации (будь то готовность устройства, различные нарушения его работы или отсутствие носителей).

Наиболее актуально решение  этих проблем для ЭВМ является применение большего количества разнообразных  устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принципы организации ввода-вывода

Передача информации с  периферийного устройства (ПУ) в ядро ЭВМ называется операцией ввода¹, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода².

Эффективность использования  вычислительных возможностей ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но также составом ее периферийных устройств, их техническими характеристиками и способами организации их совместной работы с ядром (процессор и основная память) компьютера.

Виды  устройств:

- Модульность. Средства  современной вычислительной техники  проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа. Он  заключается в том, что отдельные  устройства выполняются в виде  конструктивно законченных модулей  (агрегатов), которые могут сравнительно  просто в нужных количествах  и номенклатуре объединяться, образуя  ЭВМ.

- Унифицированные (не  зависящие от типа периферийных  устройств) форматы данных, которыми  периферийные устройства обмениваются  с ядром ЭВМ, в том числе  и унифицированный формат сообщения,  которое периферийное устройство  посылает в ядро о своем  состоянии. Преобразование в индивидуальные  форматы данных осуществляют  контроллеры и адаптеры.

- Унифицированный интерфейс,  т.е. унифицированный по составу  и назначению набор линий и  шин, унифицированные схемы подключения,  сигналы и алгоритмы (протоколы)  управления обменом информацией  между ПУ и ядром ЭВМ.

-Унифицированные (не зависящие  от типа ПУ) формат и выбор  команд процессора для операций  ввода-вывода. Операция ввода-вывода  с любым ПУ представляет для  процессора просто операцию передачи  данных независимо от особенностей  принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т.п..

Многие функции управления операциями ввода-вывода (как например управление прямым доступом к памяти) являются общими, они не зависят  от типа ПУ. Другие являются специфичными для данного типа устройств. Выполнение общих функций возлагают на общие  для групп ПУ унифицированные  устройства - контроллеры прямого  доступа к памяти, процессоры (каналы) ввода-вывода, а специфических - на специализированные для данного типа ПУ электронные блоки управления (адаптеры).

Использование множества  периферийных устройств ПУ с относительно небольшим быстродействием приводит к тому, что основное время работы процессора занято обработкой операций ввода-вывода и ожиданием готовности внешних устройств к обмену. Это  существенно снижает быстродействие ЭВМ. Эффективность работы ЭВМ можно  повысить путем разделения функций  управления центральным процессором  и периферийными устройствами.

 

2. Каналы ввода-вывода

Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными  устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства - каналы ввода-вывода³ (КВВ), задачей которых является обеспечение взаимодействия центрального процессора и ПУ.

Характерная особенность  КВВ заключается в том, что  канал работает по хранимой в памяти программе, т. е. так же, как процессор. Следовательно, КВВ, по существу, является специализированным процессором ввода-вывода. В результате центральный процессор  полностью освобождается от обслуживания операций обмена периферийных устройств  с памятью. КВВ взаимодействует  с ПУ через стандартные устройства сопряжения - интерфейсы и устройства управления периферийными устройствами - контроллеры. В структуре ЭВМ, используются интерфейсы четырех типов:

- оперативной памяти (через интерфейс осуществляется обмен информацией между ОП, процессором и каналами);

- «процессор-канал» (на рис. 1 не показан), необходимый для обмена управляющими сигналами между ними;

- ввода-вывода (через интерфейс контроллеры ПУ подключаются к каналу);

- устройств (с помощью интерфейса ПУ подключаются к контроллеру).

КВВ включает в свой состав запоминающие устройства (регистры) и  логические схемы, которые выполняют  упаковку, распаковку и подсчет данных, модификацию адреса данных и передачу информации из оперативной памяти в  периферийные устройства и в обратном направлении. Канал работает под  управлением канальной программы, которая хранится в специально отведенной области основной памяти ЭВМ.

Основные  функции канала:

- прием команд управления работой канала из центрального процессора;

- адресация внешнего устройства, указанного в принятой команде;

- выполнение действий, заданных в командах;

- установка управляющих сигналов на шинах интерфейса ввода-вывода;

- прием управляющих сигналов, поступающих от ПУ по шинам интерфейса;

- непосредственная передача информации между оперативной памятью и ПУ;

- контроль передаваемой информации на четность;

- подсчет количества передаваемых байт информации;

- прием и анализ информации о состоянии периферийных устройств;

- формирование запросов в центральный процессор на прерывание;

- управление последовательностью прерываний от ПУ и выполнение прерывания.

Таким образом, КВВ реализует  функции управления обменом информации, общие для всех ПУ, контроллер выполняет  управление обменом для группы ПУ одного типа, а интерфейс осуществляет электрическую связь между каналом  и контроллерами, подключенными  к этому каналу, и подготавливает сигналы ввода и вывода таким  образом, чтобы любое ПУ могло  подключиться к каналу.

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью  интерфейсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Интерфейсы ввода-вывода

Интерфейс⁴ - это совокупность линий и шин сигналов, электрических схем, а также алгоритмов (протоколов), осуществляющих обмен информацией между устройствами ЭВМ. Он унифицирует состав и назначение линий связи, определяет последовательность сигналов при выполнении операций, временные соотношения и переходные процессы в линиях.

Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, называют шинами интерфейса. Совокупность всех линий образует магистраль интерфейса.

Надежность и производительность ЭВМ во многом зависят от характеристик  интерфейсов.

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным сопряжением  между всеми уровнями -- стандартным  интерфейсом. Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые  приняты и рекомендованы в  качестве обязательных отраслевыми  или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными  фирмами.

Интерфейсы  характеризуются следующими параметрами:

- пропускной способностью интерфейса - количеством информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

- максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

- информационной шириной интерфейса - числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;

- максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

- динамическими параметрами интерфейса - временем передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

- общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

Радиальный интерфейс  позволяет всем модулям работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип  разделения времени для связи  между центральным модулем и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена. Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по много проводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную  линию синхронизации. При асинхронном  интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью  управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных.

Машинные (внутримашинные) системные  интерфейсы предназначены для организации  связей между составными компонентами ЭВМ на уровне обмена информацией  с центральным процессором, оперативной памятью и контроллерами (адаптерами) ПУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Типы и характеристики стандартных  шин ввода-вывода

Типы и характеристики стандартных шин⁵, используемых в настоящее время, приведены в таблице 1.

Характеристики  стандартных шин

Таблица № 1.

Тип/назначение	Разрядность	Тактовая частота (МГц)	Пропускная способность (Мб/с)
ISA/общая	16	8	16
EISA/общая	32	8	33
VLB (VESA)	32	40	130
VLB2/локальная	64	40	400
PCI/ввод/вывод	32	33, 66	120, 133
SBUS/ввод/вывод	32, 64	20, 25	80, 100
MBUS/процессор-память	64	50	125 (400)
XDBUS/процессор-память	64	50	310 (400)
AGP/локальная графическая	32	133	533
PCI-X	64	133	1060

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture). Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture) - обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.

Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется  частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах  компании IBM.