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

50690. Моделирование потока Пуассона 158 KB
  Практическое освоение алгоритма программной генерации стационарного потока Пуассона и методов статистической проверки разработанного генератора.
50692. Построение аналитической и имитационной модели 114.5 KB
  Построить аналитическую и имитационную модели и сравнить результаты исследования Одноканальная СМО с неограниченной очередью Исследовать значения средней длины очереди, среднего времени ожидания в очереди при показательном и равномерном (a = 0.05, b =0,75) распределении входного потока.
50693. Моделирование радиофизических систем С помощью simulink 306.5 KB
  Знакомство с пакетом визуального динамического моделирования SIMULINK, создание моделей радиофизических систем, их отладка и проведение экспериментов с полученными моделями.
50695. Определение моментов инерции твёрдых тел с помощью крутильного маятника 280.5 KB
  Цель работы: Определение моментов инерции твёрдых тел и проверка теоремы Гюгенса Штейнера. Определение моментов инерции длинного стержня: Период колебания рамки без закреплённых в ней тел: Период колебания рамки с закреплённым ней эталонным кубом. Момент инерции эталонного куба: м сторона эталонного куба кг масса эталонного куба Закрепим в рамке стержень.
50696. Наклонный маятник 180.5 KB
  Экспериментальное определение среднего значения периода Тсвоб свободных колебаний; Ткрут крутильных колебаний в зависимости от выбранной модели. Экспериментальное определение зависимости периода Ткач колебаний с качением наклонного маятника от значения угла наклона плоскости колебаний. Сравнение экспериментально установленной зависимости периода Ткач колебаний с качением от значения угла наклона плоскости колебаний с теоретическими моделями различной степени сложности. Ход работы: Измерение периода свободных колебаний: №...
50697. Теоретические основы электротехники. Методические указания 308.5 KB
  Цель работы: выяснить характер изменения КПД потерь напряжения и мощности в линии передачи а также характер изменения напряжения и мощности приемника при различных режимах работы системы генератор линия приемник.К линии передачи подключить переменную нагрузку рис. Снять зависимость напряжения на приемнике от тока регулируя сопротивление нагрузки в пределах от...
50698. ЦЕПИ С ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 504 KB
  Экспериментальное определение параметров индуктивных катушек активного сопротивления собственной индуктивности и взаимной индуктивности двух индуктивно связанных элементов.Экспериментальное определение одноименных зажимов катушек. Это означает что для выбранной маркировки зажимов катушек величина М положительна если при выбранных направлениях токов i1 и i2 результирующие потокосцепления...