21303

Структурная организация систем обработки данных

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Организация систем вводавывода. Структура и функции системы вводавывода. Канал вводавывода. Способы организации системы вводаввода.

Русский

2013-08-02

156.5 KB

3 чел.

Лекция 2

Структурная организация систем обработки данных

План

1. Организация систем ввода-вывода.

  1.1. Структура и функции системы ввода-вывода.

  1.2. Канал ввода-вывода.

  1.3. Способы организации системы ввода-ввода.

Основным архитектурным элементом в СОД является процессор, поэтому от особенностей его архитектуры зависит как производительность всей системы обработки, так и архитектура СОД в целом.

Выделяют три подхода к повышению эффективности функционирования СОД:

 1) совершенствование внутренней структуры (фон-неймановской);

2) повышение уровня машинного языка;

 3) создание новых нетрадиционных архитектур.

Реальные архитектуры используют элементы различных подходов.

В большей степени на развитие архитектуры вычислительной системы оказывает степень и вид параллелизма задач, которые решаются на данной ВС. Большинство наиболее распространенных задач, решаемых с помощью ЭВМ, обладают параллелизмом низкого уровня (командный уровень). В связи с этим при организации СОД используют специальные структурные методы для повышения производительности системы. Первые семь из них являются определенным стандартом при построении новых ЭВМ.

1) автономные системы ввода-вывода (СВВ), обеспечивающие совмещение во времени процессов обработки и ввода-вывода;

2) иерархическое многомодульное построение памяти, обеспечивающее возможность расслоения;

3) сверхоперативная память и кэш-память;

4) относительная и косвенная адресация памяти;

5) системы прерываний и приоритетов;

6) конвейеры команд, которые позволяют совместить во времени выполнение различных фаз нескольких последовательных команд;

7) средства сопроцессирования и функционально распределенной организации обработки;

8) организация подсистемы коммутации;

9) RISC-процессоры – ЭВМ с сокращенным набором команд. В обычной ВС время обращения к памяти и время вычислений соотносятся примерно как 5:1, а в RISC системах как 2:1;

10) VLIW-процессоры – ЭВМ с очень длинным командным словом (команда включает несколько параллельных по данным команд, например, элементарное дерево запросов к БД с бинарной операцией).

1. Организация систем ввода вывода

В высокопроизводительных машинах организации системы ввода-вывода уделяется особое внимание, поскольку с увеличением быстродействия средств обработки растет потребность в исходных данных и увеличиваются объемы результатов обработки. Здесь используются внешние запоминающие устройства большого объема либо источники информации с высокими скоростями передачи (для систем реального времени).

1.1. Структура и функции системы ввода вывода

С точки зрения системы ввода вывода любое периферийное устройство (ПУ) представляет собой генератор или потребитель квантов данных Di, который может начинать работу под воздействием сигналов Ci от управляющих компонентов СВВ и сообщать им о своём состоянии сигналами Si (рис. 1.1).

Основной частью СВВ является генератор адреса (ГА) в оперативной памяти. Адрес формируется синхронно для каждого генерируемого в ПУ кванта информации. Генератор адреса формирует адрес, указывающий, куда записать квант данных при его вводе с ПУ или откуда считать данные при выводе на ПУ.

С учётом того, что кванты данных и длительность интервалов их обработки существенно отличаются в ПУ и центральных устройствах ЭВМ, на СВВ возложены следующие функции.

1. Преобразование квантов информации ПУ в кванты ЦП и наоборот.

2. Определение места в памяти для чтения или записи кванта информации.

3. Формирование управляющих сигналов Ci для работы ПУ в различных режимах, задание типа выполняемой операции в ПУ.

4. Получение и обработка сигналов состояния Si.

5. Обработка ошибок передачи.

6. Синхронизация процессоров в ЦП и ПУ, согласование скоростей их работы.

1.2. Канал ввода вывода

Канал ввода-вывода представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации управления обменом и непосредственной передачи данных между ОЗУ и ПУ.

Все функции, которые реализует КВВ можно разбить на три группы.

1. Установка логической связи между ПУ и ОП.

2. Передача информации между ПУ и ОП.

3. Завершение обмена и разрушение логического канала.

Если все функции управления обменом осуществляются средствами управления интерфейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называется программным. В этом случае управление ПУ и операциями обработки осуществляется последовательно (как для ЭВМ с центрально-синхронным принципом управления). Если в КВВ предусмотрены специальные аппаратные средства для буферизации, преобразования форматов данных, определения текущего адреса данных в памяти и момента завершения обмена, то КВВ называют процессором ввода-вывода (ПВВ), который реализует прямой доступ к памяти.

1.3. Способы организации системы ввода вывода

При наличии автономной системы ввода-вывода вычислительная система должна быть сбалансирована, т.е. объем передаваемой за единицу времени информации в ней должен соответствовать объему вводимой и выводимой информации за тот же интервал времени. Иначе средства обработки будут простаивать в ожидании ввода очередной порции информации.

Разработано несколько способов организации СВВ, отличающихся скоростью передачи и аппаратными затратами, и используемых для разных классов СОД.

1. Системы ввода-вывода для систем с общей оперативной памятью.

Такая организация СВВ характерна как для однопроцессорных, так и многопроцессорных систем с общей оперативной памятью (рис. 1.2).

В этой структуре реализуется прямой доступ к оперативной памяти со стороны СВВ. Обмен данными между ПУ и ОП осуществляется компонентами СВВ логически и физически без непосредственного участия компонентов системы обработки. Связующим звеном между ЦП и ПВВ служит разделяемая память (ОП), которая выполняется  виде многомодульной многовходовой памяти. Взаимодействие системы обработки и СВВ осуществляется стандартным образом посредством прерываний.

Недостатки:

а) возможны одновременные обращения в ОП системы обработки и СВВ. (Здесь снижение производительности тем заметнее, чем больше «каналов» между ПУ и ОП, т.е. одновременно работающих ПВВ с независимыми схемами обращения к ОП);

б) частые прерывания центрального процессора со стороны системы ввода-вывода.

2. Системы ввода-вывода в виде специальной управляющей ЭВМ.

В такой схеме также необходимо наличие общей оперативной памяти для всех процессоров обработки (рис. 1.3). Здесь все функции управления вводом-выводом, а также многие функции по управлению всем вычислительным процессом возлагаются на специально выделенную управляющую ЭВМ. Число прерываний при этом сокращается.

В качестве управляющей может быть ЭВМ общего назначения либо мини-ЭВМ. Связь с системой обработки осуществляется через специальный адаптер канал-канал. Управляющая ЭВМ выполняет следующие функции:

а) коммутация потоков данных;

б) буферизация потоков данных;

в) компоновка потоков данных;

г) преобразование форматов;

д) предварительная обработка.

Недостаток:

- не обеспечивает поддержку быстрых накопителей на дисках большого объема из-за ограниченной пропускной способности интерфейса ввода-вывода управляющей ЭВМ. Этот недостаток устраняется в СВВ через ВЗУ.

На рис. 1.4 представлена структура матричной системы Illiac IV (Илиннойский университет и корпорация «Берроуз»). Она работает как специализированная приставка к универсальному компьютеру Burroughs 6500. Который осуществляет интерфейс с пользователями, различными периферийными устройствами, вычислительной сетью и архивной лазерной памятью.

3. Системы ввода-вывода через внешние запоминающие устройства.

В высокопроизводительных ВС (для числовой обработки) помимо связей обрабатывающей системы с управляющей ЭВМ через адаптер канал-канал осуществляется «слабая» связь через ВЗУ. Такая организация СВВ чаще всего используется в многомашинных вычислительных комплексах.

На рис. 1.5 изображена структура ВК, включающая две одинаковые универсальные ЭВМ. Все ПУ подключены к ЦП через КВВ стандартными способами. ЭВМ имеют характерные для многомашинных систем связи: через общее ОЗУ (ООЗУ), канал прямого управления (КПУ), адаптер канал-канал (АКК) и через ВЗУ. Для организации связи ЭВМ через ВЗУ контроллеры ВЗУ подключаются к двум КВВ разных ЭВМ через двухпозиционный переключатель (ДПК), имеющий два входа и позволяющий подключать ВЗУ к любому каналу. В случае выхода из строя одного канала ввода-вывода всегда остаётся возможность доступа к информации, хранящейся в ВЗУ, через другой КВВ.

4. Системы ввода-вывода через «интерфейсную» ЭВМ.

В проектах ЭВМ 5-го поколения предполагалось создание специальной «интерфейсной» ЭВМ, предназначенной для организации связи высокопроизводительных средств обработки и внешнего мира. Такая интерфейсная ЭВМ помимо перечисленных выше функций берет на себя функции преобразования способов представления информации, чтобы пользователь получил ее в наиболее удобном виде, например, в виде графики, речи, карт, гипотез и т.п. (рис.1.6).

5. Системы ввода-вывода для систем с распределенной оперативной памятью.

Для СОД, где процессорные элементы не имеют общей оперативной памяти, схема ввода-вывода строится с использованием коммутатора (рис. 1.7). Функции коммутатора реализуются системным контроллером – специально выделенным устройством, которое осуществляет функции диспетчеризации, управления обменом между отдельными процессорными элементами (ПЭ) и между локальной ОП отдельных ПЭ и системой ввода-вывода. Наличие такого коммутатора в однопроцессорной системе приводит к значительному снижению числа прерываний центрального процессора.

6. Распределенная система ввода-вывода.

В данной схеме каждый процессорный элемент имеет собственные неразделяемые периферийные устройства. Все обмены между отдельными ПЭ и каналами СВВ происходят через коммутатор (рис. 1.8). Преимущество такой системы – эффективное использование дорогостоящих периферийных устройств.

 Недостатки:

- большая стоимость коммутатора;

- при большой интенсивности взаимодействий ПЭ и СВВ эффективность СОД снижается.

7. Подключение спецпроцессора через систему ввода-вывода.

Если подключение спецпроцессора к СОД заранее не предусмотрено, это можно сделать посредством СВВ (рис. 1.9). Такой процессор называют периферийным (ПП). Он подключается к оперативной памяти или системному контроллеру через канал ввода-вывода аналогично периферийному устройству.

Задача СВВ состоит в том, чтобы загрузить локальную память ПП исходными данными перед началом операции в периферийном процессоре, инициировать операцию и результаты обработки вернуть в основную память СОД.

В качестве ПП часто используют матричные спецпроцессоры, фильтр-процессоры для обработки БД либо целиком машины баз данных, реализованные конструктивно на одной плате.

Естественно, что существуют системы, где используется сочетание различных способов организации СВВ.

_______________________________________________________________________________________________

Курс «Организация ЭВМ»

-6-

(курсовой проект)

Рис. 1.9. Подключение спецпроцессора с помощью СВВ

Оперативная память

КВВ

ПП

КВВ

ПУ

ЦП

ПУ

СВВ

ОПn

ПЭn

ПУ

СВВ

ОП2

ПЭ2

ПУ

СВВ

ОП1

коммутатор

Рис. 1.8. Распределенная СВВ

Система ввода-вывода

коммутатор

ПЭ1

ОПn

ПЭn

ОП2

ПЭ2

ОП1

ПЭ1

Рис. 1.7. Организация СВВ для СОД с распределенной оперативной памятью

может быть и АКК

- компиляция запроса;

- подкачка данных из массовой памяти;

- преобразование результата.

ПВВ

СШ

ПЭ

ПЭ

Система вторичной обработки данных в БД

МП

КПУ

ПВВ

терминалы

- SQL-запрос

- результат (таблица, графики, гистограммы,

карты, гипотезы …)

Оперативная память

ЦП

«Интерфейсная» ЭВМ

Рис. 1.6. Организация СВВ через «интерфейсную» ЭВМ

Рис. 1.4. Структура матричной системы Illiac IV

Универсальный компьютер

В 6500

Вычислительная сеть ARPA

Лазерная архивная память

(1012 бит)

Периферийные устройства

Файловые диски

буфер ввода-вывода

контроллер ввода-вывода

коммутатор ввода-вывода

Квадрант 3

(64 ПЭ)

Квадрант 2

(64 ПЭ)

Квадрант 1

(64 ПЭ)

Квадрант 0

(64 ПЭ)

Рис. 1.3. Организация СВВ на основе управляющей ЭВМ

ПУ

ПВВ

Оперативная

память

ЦП

ПВВ

Управляющая ЭВМ

Адаптер канал-канал

Оперативная память

ПВВ

ПЭ

Система

обработки

Рис. 1.2. Организация СВВ для систем с общей оперативной памятью

Оперативная

память

ПЭ

ПУ

ПУ

КПУ

ПВВ

ПУ

КПУ

ПВВ

ПЭ

Система обработки

Система ввода-вывода

К ОЗУ

Управляющая

ЭВМ

Обрабатывающая ЭВМ

Рис. 1.5. Организация СВВ через ВЗУ на примере многомашинного ВК

ПУ

Рис. 1.1. Структура системы ввода-вывода


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12317. Саясаттанушы ғалымдардың бірі – М.Лютер 506.38 KB
  ЛСӨЖ Тақырып: Саясаттанушы ғалымдардың бірі – М.Лютер Реформацияның дінисаяси бағытының идеологі – Мартин Лютердің саяси ойлары. Мартин Лютер 14831546 неміс ойшылы және қоғам қайраткері Германиядағы бюргерлік реформалаудың басшысы немістің протестантизм
12318. Виртуалдық лекция бойынша пәнің «Саясаттану» мәліметтері Виртуалдық лекциялық сабақтардың кестесі 142 KB
  Виртуалдық лекция бойынша пәнің Саясаттану мәліметтері Виртуалдық лекциялық сабақтардың кестесі № Тақырыптар Сағат саны 1. Саясаттану–ғылым және оқу пәні 2 ...
12319. Саясаттану пәні бойынша дәріс сабақтарының контактілік мәліметтері Контактілік дәріс сабақтарының кестесі 274.5 KB
  Саясаттану пәні бойынша дәріс сабақтарының контактілік мәліметтері Контактілік дәріс сабақтарының кестесі Тақырыптар Сағат саны 1 Тақырып1.Саясаттану ғылым және оқу пәні. ...
12320. Конвенция о правах ребенка 79 KB
  Конвенция ООН о правах ребёнка — международный правовой документ, определяющий права детей на образование, пользование достижениями культуры, правом на отдых и досуг, и оказание иных услуг детям государствами-членами ООН.
12321. Состояние имиджа интернет-магазина 6cotok.ru и пути его совершенствования 654.5 KB
  Благодаря «имиджу», появилась такая профессия, которая приобретает популярность, как «имиджмейкер». Имиджмейкер – это специализированный сотрудник по связям с общественностью, который разрабатывает и создает специальные рекламные мероприятия, для повышения имиджа организации.
12322. Саясаттанудың заңдары мен категориялары, әдістері мен функциялары 284.5 KB
  САЯСАТТАНУ ҒЫЛЫМ РЕТІНДЕ Саясаттанудың объектісі мен пәні Саясаттанудың заңдары мен категориялары әдістері мен функциялары 1. Саясатты түсіну ежелден бастау алады. Оны ғылыми тұрғыда шешу кейінгі ғасырларға келеді. Саяси ғылым қазіргі кездегі мәнін Х...
12323. Никола Макиавелли 25.77 KB
  СӨЖ Тақырыбы: Никола Макиавелли Никола Макиавелли Қайта өрлеу дәуірінің көрнекті өкілі буржуазиялық саяси ілімінің негізін қалаушы Никола Макиавелли саяси қайраткер дипломат және тарихшы ретінде де кеңінен танылады. Мемлекет және құқық концепциясы тарихын
12324. Әлемдік әлеуметтанудың қалыптасуы мен даму тарихы 132.16 KB
  ІІ дәріс. Әлемдік әлеуметтанудың қалыптасуы мен даму тарихы. 1. Антикалық және Ортағасыр дәуіріндегі әлеуметтік ойлар. 2. Жаңа заман мен Ағартушылар дәуіріндегі әлеуметтік тұжырымдамалар. 3. Әлеуметтану ғылымының классика...
12325. Саясаттану пәнінен 1-аралық бақылау сұрақтары 43.18 KB
  Саясаттану пәнінен 1аралық бақылау сұрақтары Саясаттану ғылым ретінде Саясаттану ғылымының атқаратын қызметтері Саяси ойшылдардың саясатқа берген анықтамалары Саясаттанудың деңгейлері Саясаттанудың парадигмалары Ежелгі дәуірдегі саяси ойшылд