Принципы управления

Вычислительные машины, помимо процессоров и основной памяти (образующих ее ядро), содержат многочисленные периферийные устройства (ПУ): ВЗУ и УВВ.

Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ЭВМ в ПУ - операцией вывода.

Производительность и эффективность ЭВМ определяются не только возможностями ее процессора и характеристиками ОП, но и составом ПУ, их техническими данными и способами организации их совместной работы с ЭВМ.

При разработке систем ввода-вывода ЭВМ особое внимание обращается на решение следующих проблем:

• должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией), в первую очередь с различным набором периферийных устройств, с тем чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройствами;

·          для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования в ЭВМ должны реализоваться одновременная работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода;

·          необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства;

·          необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

Первый шаг в совершенствовании структуры ЭВМ с целью повышения производительности был сделан при разработке второго поколения, когда впервые была обеспечена автономность внешних устройств. Сначала она была необходима для согласования скорости работы устройств ЭВМ. Помехоустойчивые коды. Классы кодов и их характеристики.

Но автономность потребовала проведения проверок исправности устройств при каждом обращении к ним. Появилась определенная технология обращения к автономным внешним устройствам - интерфейс.

Когда эту технологию унифицировали, появилось понятие стандартного интерфейса.

Стандартизация интерфейсов ввода-вывода привела к возможности гибко изменять конфигурацию вычислительных машин (количество и состав внешних устройств, расширять комплект ЭВМ за счет подключения новых устройств).

Затем появилась концепция виртуальных устройств, позволяющая совмещать различные типы ЭВМ, операционные системы. Совместимость распространилась и на работу машин разной конфигурации (можно использовать соответствующее программное обеспечение и при физическом отсутствии необходимых устройств).

Изменилась и технология работы - при отсутствии печатающих устройств файлы направлялись в виртуальное устройство, где и накапливались, а реально распечатывались на другой машине.

Дальнейшее совершенствование интерфейсов потребовалось при решении специфических задач: новые внешние устройства (сканеры) позволяли вводить текст в графическом виде, а обрабатывать его необходимо было в символьном виде. Поэтому возникла необходимость в системах распознавания, идентификации, преобразования из графического формата в символьный.

[an error occurred while processing this directive]

При анализе снимков из космоса появилась необходимость автоматической классификации наблюдаемых объектов, самообучения распознающей программы, анализа сцен.

Это все стимулировало развитие специального математического аппарата в интерфейсах.

Необходимость вывода информации различными шрифтами привела к изменению технологии вывода, связанной с применением ТrueТуре-шрифтов, масштабированием матричных и векторных изображений, преобразованием векторных символов в матричные.

Во внешние устройства стали встраивать свою основную память, объем которой должен обеспечивать вывод целой страницы (например, текста) при плотности 600 точек/дюйм -этот объем превышает иногда объем основной памяти ЭВМ.

Необходимость пересчета при преобразовании векторных шрифтов в матричные привела к необходимости включить в состав устройств отображения информации специальные графические процессоры матричной архитектуры, в качестве которых часто используются транспьютеры.

При создании автоматизированных рабочих мест появилась необходимость подключения к ЭВМ аудиовизуальной аппаратуры - телекамер, видеомагнитофонов, фотокамер, аудиоустройств. На этой основе образовался специальный аппаратурный комплекс, называемый анимационной линейкой.

Из-за технической несовместимости потребовались программные и аппаратурные преобразователи сигналов, специальные средства сопряжения.

При разработке пятого поколения ЭВМ была заложена интеллектуализания общения: речевой ввод и вывод; графический ввод; ввод текстовой информации без клавиатуры; естественно-языковое общение; общение на разных естественных языках.

Все это и явилось основой для совершенствования систем, обеспечивающих связь ЭВМ с периферийными устройствами.

В общем случае для организации и проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные средства:

·          специальные управляющие сигналы и их последовательности;

·          устройства сопряжения;

·          линии связи;

·          программы, реализующие обмен.

Весь этот комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, алгоритмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсам.

В зависимости от типа соединяемых устройств различаются:

·          внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ;

·          интерфейс ввода-вывода - для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.);

·          интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) предназначены для сопряжения различных ЭВМ (например, при образовании вычислительных сетей);

·          интерфейсы "человек - машина" - для обмена информацией между человеком и ЭВМ.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального аппаратурного комплекса (рис.6.1).

glava 61.jpg

Рве. 6.1. Место интерфейса в аппаратурном комплексе

Характер использования этого аппаратурного комплекса определяется технологией обмена, определенным церемониалом, идеологией данного интерфейса, протоколом общения.

Особое место занимает человеко-машинный интерфейс, реализующий специфические методы организации общения. Например, церемониал человеко-машинного общения предусматривает "дружественность пользователю", которая может обеспечиваться техническими средствами, программами и технологией общения.

Если интерфейс обеспечивает обмен одновременно всеми разрядами передаваемой информационной единицы (чаще всего байта или машинного слова), он называется параллельным интерфейсом.

Внутренний интерфейс ЭВМ всегда делается параллельным или последовательно-параллельным (если одновременно передается не вся информационная единица, а ее часть, содержащая несколько двоичных разрядов, например, i8088 обеспечивает побайтовый, a 80386SX - двухбайтовый обмен через системную магистраль, тогда как основная информационная единица - машинное слово - имеет длину у 8086 - 2 байта, а у 80386 - 4).

Интерфейсы межмашинного обмена обычно последовательные, в которых обмен информацией производится по одному биту последовательно.

Для параллельного и последовательно-параллельного интерфейса необходимо, чтобы участники общения были связаны многожильным интерфейсным кабелем (количество жил не меньше числа одновременно передаваемых разрядов - битов). В последовательных интерфейсах участники общения связываются друг с другом одно-двухпроводной линией связи, световодом, коаксиальным кабелем, радиоканалом.

В зависимости от используемых при обмене программно-технических средств интерфейсы ввода-вывода делятся на два уровня: физический и логический (рис.6.2).

glava 62.jpg

Рис. 6.2. Логический и физический уровни интерфейсов ввода-вывода

В зависимости от степени участия центрального процессора в обмене данными в интерфейсах могут использоваться три способа управления обменом:

·          режим сканирования (так называемый "асинхронный" обмен);

·          синхронный обмен;

·          прямой доступ к памяти.

Для внутреннего интерфейса ЭВМ режим сканирования предусматривает опрос центральным процессором периферийного устройства (ПФУ): готово ли оно к обмену, и если нет - продолжение опроса периферийного устройства (рис.6.3).

Операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать сложную быстродействующую аппаратуру процессора, в результате чего в режиме сканирования снижается производительность вычислительной машины.

Вместе с тем при пересылке блока данных процессору приходится для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) выполнять довольно много команд, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п. В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных даже через высокопроизводительный процессор может оказаться неприемлемой для систем управления, работающих в реальном масштабе времени.

glava 63.jpg

Рис. 6.3. Алгоритм сканирования

Режим сканирования упрощает подготовку к обмену, но имеет рад недостатков:

·          процессор постоянно задействован и не может выполнять другую работу;

·          при большом быстродействии периферийного устройства процессор не успевает организовать обмен данными.

В синхронном режиме центральный процессор выполняет основную роль по организации обмена, но в отличие от режима сканирования не ждет готовности устройства, а осуществляет другую работу. Когда в нем возникает нужда, внешнее устройство с помощью соответствующего прерывания обращает на себя внимание центрального процессора.

Для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процессора от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access).

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от процессора установление связи и передачу данных между основной памятью и внешним устройством.

В режиме прямого доступа к памяти используется специализированное устройство - контроллер прямого доступа к памяти, который перед началом обмена программируется с помощью центрального процессора: в него передаются адреса основной памяти и количество передаваемых данных. Затем центральный процессор от контроллера прямого доступа к памяти отключается, разрешив ему работать, и до окончания обмена может выполнять другую работу. Об окончании обмена контроллер прямого доступа к памяти сообщает процессору. В этом случае участие центрального процессора косвенное. Обмен ведет контроллер прямого доступа к памяти.

Прямой доступ к памяти (ПДП):

·          освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода;

·          позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с обменом данными между внешним устройством и основной памятью;

·          производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью основной памяти и внешним устройством.

ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вывода, способствует увеличению общей производительности ЭВМ, дает возможность машине более приспособление работать в системах реального времени.


На главную