Требования к организации и решения систем ввода-вывода

Подробности

Родительская категория: Ввод-вывод

Категория: Подключение периферийных устройств к ЭВМ

Организация взаимодействия и обмена информации в вычислительной информационной системе требует решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие:

• Возможность изменять конфигурацию: необходимо обеспечить возможность реализации ЭВМ с переменным составом оборудования, в первую очередь, с различным набором устройств ввода-вывода, с тем, чтобы пользователь мог выбирать конфигурацию машины в соответствии с ее назначением, легко добавлять новые устройства и отключать те, в использовании которых он не нуждается;
• Параллельная работа ЭВМ и ПУ: для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования компьютера следует реализовать параллельную во времени работу процессора над вычислительной частью программы и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода;
• Унификация программирования: необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства;
• Синхронизация работы ЭВМ и ПУ: в ЭВМ должно быть обеспечены автоматическое распознавание и реакция процессора на многообразие ситуаций, возникающих в УВВ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

Указанные требования решаются за счет:

• Унифицированных (независящих от типа внешнего устройства) интерфейсов;
• Унифицированных соединений;
• Унифицированного программирования.

Интерфейс — это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами. Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

• пропускная способность — количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;
• максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс;
• максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;
• общее число проводов (линий) в интерфейсе;
• информационная ширина интерфейса — число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс.

Основным назначением интерфейса является унификация внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации прогрессивных методов проектирования функциональных элементов вычислительных систем.

Основными архитектурами соединений устройств являются:

• Каскадное соединение. Информация передается только в одном направлении: от предыдущего функционального элемента (ФЭ) к последующему. Если сообщение не адресовано данному ФЭ, она транслируется без изменений. Такая структура характеризуется малой скоростью обмена, но имеет минимальное число шин.
• Радиальное соединение. Центральный ФЭ связывается с каждым ФЭ. Такая система обладает наибольшей надежностью и производительностью, но ограничена по числу ФЭ. В ней невозможен непосредственный обмен между ФЭ.
• Магистрально-модульное соединение. Все устройства, составляющие компьютер, включая и микропроцессор, организуются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью (см. рисунок ниже). Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем (Иi).

Схема магистрально-модульного соединения

На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи:

• обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модуля и системной магистрали;
• преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;
• обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов.

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными и по своим возможностям соответствовать универсальным микропроцессорам. Такие схемы принято называть контроллерами.

Унификация программирования достигается за счет унифицированных форматов команд в ЭВМ и унифицированных форматов регистров ПУ. На уровне операционной системы унификация достигается путем использования драйверов внешних устройств.

Модель внешнего устройства для программиста

Подробности

Родительская категория: Ввод-вывод

Категория: Подключение периферийных устройств к ЭВМ

Каждое периферийное устройство имеет в своем составе один или несколько регистров, содержимое которых можно прочитать или записать командами программы. Сложные периферийные устройства могут содержать несколько десятков регистров. Таким образом, общее количество регистров периферийных устройств в системе может быть значительным.

Словосочетанием “модель периферийного устройства для программиста” будем называть набор регистров в периферийном устройстве, которые можно прочитать-записать программно.

Простейшая модель для программиста внешнего устройства может содержать довольно мало регистров: — регистр состояния (статуса), регистр управления, регистр (буфер) данных.

Применяют два основных способа доступа к регистрам ПУ:

1. Произвольной адресации регистров;
2. С индексацией регистров (SB).

В первом случае процессор по команде может записать/считать данные в любой регистр ПУ. Если ПУ имеет большое количество регистров, например, более 100, как в sound blaster, используют второй способ. В этом случае ПУ имеет два регистра: индексный регистр и регистр данных. При записи в индексный регистр заносим номер регистра ПУ, в который хотим записать, затем в регистр данных заносим записываемое число.

Адресация регистров внешнего устройства:

• изолированный ввод-вывод (порты);
• отображение на память.

В некоторых процессорах доступ к регистрам периферийных устройств осуществляется аналогично доступу к ячейкам памяти. Каждому регистру присвоен адрес в адресном пространстве памяти. В этом случае для обращения к регистрам ПУ можно использовать те же команды, что и для доступа к ячейкам памяти. Такая организация носит название "ввод-вывод, отображаемый на память". Обычно разработчики вычислительной системы выделяют для адресации регистров ПУ какой-либо фиксированный диапазон адресов.

В других процессорах регистры ПУ имеют свою систему адресации, никак не связанную с адресацией ячеек памяти. Для обращения к регистрам ПУ в системе команд имеются специальные команды ввода- вывода. Такая организация обмена с ПУ носит название "изолированный ввод-вывод". Для обозначения программно- доступных регистров периферийных устройств в компьютерной литературе используют термин "порты ввода-вывода".

 Пример 1. Нулевой канал таймера имеет порт данных с адресом 40h

и порт управления с адресом 43h.

Пример 2. Приемник последовательного интерфейса COM1 имеет

порт данных с адресом 0378h и порт состояния (статуса) с адресом

03FDh. Младший бит в порте состояния (флаг окончания приема)

устанавливается в 1, если приемник принял извне байт.

Оба вида адресации аппаратно поддержаны со стороны процессора. В первом случае в адресном пространстве процессора выделяется область адресов для ПУ. Адреса из этой области транслируются напрямую, без использования схемы преобразования (логический адрес равен физическому). В процессоре Motorola 68040 этот механизм называется “прозрачная трансляция адресов”. Для указания выделенной области регистров ПУ используются специальные регистры. В этих регистрах дополнительно имеются поля, определяющие разрешение/запрещение КЭШирования, тип доступа r/w и др. На рисунке (см. рисунок ниже) представлена схема страничной трансляции.

Схема страничной трансляции процессора МС68040

Регистры прозрачной трансляции ТТО и ТТ1 (см. рисунок ниже) определяют блоки адресного пространства, которые транслируются прозрачно (прямо): в этих блоках логические адреса являются физическими.

 

Формат регистров прозрачной трансляции

Значения полей регистров ТТО и ТТ1:

LOGICAL ADDRESS BASE — значение А31 — А24, определяют блок прозрачной трансляции;

LOGICAL ADDRESS MASK — игнорируемые разряды А31 — А24;

Е (Enable) — разрешение: определяет возможность прозрачной трансляции (Е=1 разрешена).

Cl (Cashe Inhibit) — КЭШ запрещен: определяет возможность использования КЭШа ( С1=0 означает, что КЭШ используется);

R/W — чтение/запись: определяет тип доступа в транслируемом блоке: (R/W=0 — запись; R/W=1 — чтение);

RWM (Read/Write Mask) — маска чтения-записи: определяет достоверность поля R/W (RWM=0 — поле используется);

FC BASE (Function Code Base) — значение функционального кода блока прозрачной трансляции;

FC MASK (Function Code Mask) — игнорируемые биты функциональною кода.

При изолированном вводе-выводе процессор должен иметь: специальные команды работы с ПУ, специальные сигналы на шине, различающие обращение к памяти и к ПУ.

В процессорах семейства х86 использован изолированный ввод-вывод. На шине процессора имеются специальные сигналы. При обращении к памяти вырабатываются стробы MEMR, MEMW, а к ПУ — стробы I/OR, I/OW. Схема подключения приведена на рисунке (см. рисунок ниже).

 

Схема подключения ПУ

В составе системы команд имеются следующие две команды ввода-вывода:

1. in — ввод 1/2/4-байтового элемента данных из порта в регистр процессора al/ax/eax;
2. out — вывод 1/2/4-байтового элемента данных из регистра al/ax/eax в порт.

Номер порта операнда-источника в команде in или операнда-приемника в команде out можно задать двумя способами: непосредственной адресацией или косвенно-регистровой с использованием только регистра dx.

!Примеры.

in                    al,040h; ввести байт в al из порта 40h

mov               dx,0378h; записать номер порта 0378h в регистр dx

in                    al,dx; ввести байт в al из порта 0378h

mov               al,049h; записать байт 49h в регистр al

out                 dx,al; вывести байт из al в порт, номер которого содержится в dx

Кроме того, в системе команд есть две строковые (цепочечные) команды ввода-вывода:

1. insb / insw / insd - ввод из порта цепочки (строки) байтов/слов/двойных слов в последовательные адреса памяти;
2. outsb / outsw /outsd — вывод цепочки (строки) байтов/слов/двойных слов из последовательных адресов памяти в порт.