67587

Логическая организация систем ввода-вывода

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Типы логической структуры систем вводавывода. Логическая организация систем вводавывода в мини и микроЭВМ. При построении ЭВМ с переменным составом оборудования существуют требования единства логической структуры систем вводавывода в пределах одного или нескольких семейств ЭВМ.

Русский

2014-09-12

819 KB

11 чел.

Лекция 11

Логическая организация систем ввода-вывода

План

1. Типы логической структуры систем ввода-вывода.

2. Логическая организация систем ввода-вывода в мини- и микроЭВМ.

3. Особенности подключения периферийных устройств к вычислительным комплексам и системам.

При построении ЭВМ с переменным составом оборудования существуют требования единства логической структуры систем ввода-вывода в пределах одного или нескольких семейств ЭВМ. Логическую организацию СВВ определяют форматы управляющей информации и способы её передачи между компонентами системы, взаимосвязь программных средств при операциях обмена, структура и организация канала ввода-вывода. Совокупность всех допустимых для данного ПУ команд образуют систему команд, точно так же, как и для процессоров. Конкретная машина, в которую заложены элементы единой логической организации СВВ, отличается лишь своей физической структурой, т.е. способом организации отдельных её составляющих.

1. Типы логической структуры систем ввода-вывода

С точки зрения программной логической структуры СВВ все ЭВМ можно разделить на три класса:

1) со специальным набором команд канала ввода-вывода. Эта организация характерна для ЭВМ общего назначения с развитыми процессорами ввода-вывода (рис. 11.1). Инициирование работы ПВВ осуществляется специальными командами ввода-вывода, предусмотренными в системе команд ЦП, а работа ПВВ осуществляется под управлением собственных программ. Каналы связывают высокопроизводительную вычислительную систему и главную ЭВМ (host-ЭВМ), на которую возложено обеспечение сервиса ввода-вывода;

2) со специальными командами ввода-вывода в системе команд машины, но без дополнительной системы команд канала ввода-вывода. Вся управляющая информация компонентам СВВ передаётся посредством этих команд. Такая организация характерна для некоторых микроЭВМ (рис. 11.2);

3) без специальных команд ввода-вывода в системе команд машины. Управляющая информация между ЭВМ и ПУ передаётся посредством обычных команд, используемых для обращения к ячейкам оперативной памяти. Этот принцип организации характерен для большинства мини- и микроЭВМ.

Резкой границы между структурой ЭВМ второй и третьей группы нет. При такой организации возможна непосредственная работа с контроллером (для ОС MS DOS).

Данная организация сейчас вытесняется новой (рис. 11.3), которая характерна для ЭВМ системы UNIX и OS/2.

2. Логическая организация систем ввода-вывода

в мини- и микроЭВМ

В мини- и микроЭВМ встречается программная организация как со специальными командами ввода-вывода, так и без них (ввод-вывод, отображаемый на память). В СВВ со специальными командами ввода-вывода команды содержат следующую информацию: адрес ПУ и контроллера, адрес текущей ячейки ОЗУ или описание области ОЗУ, команда для ПУ, режим и направление обмена и т.д. При наличии специальных команд в объединенном интерфейсе обязательно предусматриваются специальные линии, сигналы на которых формируются в результате дешифрации кода операции и информируют все устройства о выполняемой операции. Передача информации осуществляется между регистрами ЦП и ПУ.

Более распространенной является программная организация СВВ без специальных команд ввода-вывода в системе команд. При такой организации каждое ПУ для СВВ представляет собой совокупность адресуемых регистров. Адреса этих регистров и ячеек ОЗУ образуют общее адресное пространство, что позволяет для обращения к регистрам ПУ использовать команды пересылок в память. Область адресов памяти и область адресов ПУ в адресном пространстве не пересекаются. Каждое ПУ или его контроллер имеет не менее двух регистров. Регистр с наименьшим адресом используется как регистр состояния и регистр команд, регистр со старшим адресом - как регистр данных. Остальные регистры являются управляющими.

При выполнении операций ввода-вывода необходимо строго соблюдать последовательность загрузки регистров. Эти особенности работы с конкретными ПУ возложены на специальные управляющие программы, в результате чего достигается независимость программных средств пользователя от специфики ПУ. Непосредственное управление ПУ осуществляется с помощью программы-драйвера и называется обслуживанием на физическом уровне. Каждое ПУ имеет собственное физическое имя, однозначно определяющее его адрес, и управляется собственным драйвером. Программа пользователя (ПП) обычно использует логические имена. Соответствие логических и физических имен устанавливается через системную таблицу (СТ), которая создается при генерации системы или автоматически при регистрации задачи пользователя. Для настройки драйвера ПУ на конкретную операцию в процессе ассемблирования для каждого файла создается  блок управления данными (БУД). Основой для его создания служат параметры операторов работы с файлами. При необходимости осуществить операцию ввода-вывода ПП обращается к монитору программ (МП), который анализирует возможность выполнения этой операции, т.е. проверяет наличие соответствующего БУД, и ставит запрос в очередь (рис. 11.4). Кроме того, МП выполняет функции защиты файлов при мультипрограммном режиме, защиты доступа к ПУ и др. БУД, СТ и МП образуют логический уровень управления.

Непосредственная связь программ с ПУ осуществляется через драйверы, которые выполняют следующие функции:

 определение параметров, т.е. определение адресов регистров и векторов прерываний ПУ в адресном пространстве, назначение отдельных битов регистра состояния и т.п.;

 инициирование ввода-вывода, при котором проверяется готовность контроллера и ПУ, формируется управляющая информация для ПУ, определяются действия для обнаружения ошибок; после инициирования ввода-вывода драйвер возвращает управление МП;

 обработка прерываний, в процессе которой выявляются причины прерывания, определяется состояние ПУ;

 обработка ошибок, в результате которой определяется целесообразность повторения операции;

 завершение операции, при котором драйвер передает управление МП с указанием на успешное или неуспешное окончание операции.

3. Особенности подключения периферийных устройств

к вычислительным комплексам и системам

Способы подключения и использования ПУ в значительной степени зависят от типа вычислительного комплекта (ВК) и его структурной организации. Все ВС и ВК принято делить на многопроцессорные и многомашинные.

В многопроцессорные ВК несколько процессоров используют модули оперативной памяти и ПУ в качестве общих ресурсов. Различают три типа структурной организации многопроцессорных ВК:

 с общей или разделённой во времени шиной (рис. 11.5, а);

 с перекрёстной коммутацией (рис. 11.5, б);

 с многовходовой оперативной памятью (рис. 11.5, в).

Структура ВК с ОШ самая простая. В таком ВК все устройства связаны между собой общей шиной. ПУ (т.е. регистры их контроллеров) адресуются как ячейки ОЗУ и не требуют специальных команд. Недостатками ВК с ОШ являются:

1) производительность ВК полностью зависит от пропускной способности ОШ, поэтому крупные ВК с такой организацией не создаются;

2) низкая надёжность - при выходе из строя ОШ отключается весь ВК.    

ВК с перекрёстной коммутацией такими недостатками не обладает. В них связи между процессорами, модулями оперативной памяти и контроллерами ввода-вывода (КВВ) осуществляется с помощью специальной коммутационной матрицы (КМ1), причём с любые пары устройств могут обмениваться информацией одновременно. За счёт этого достигается высокая производительность и надёжность ВК. Недостатком такой структуры является сложность коммутационной матрицы, для упрощения которой периферийные устройства связываются с центральными устройствами через другую матрицу (КМ2), менее быстродействующую.

В многопроцессорных ВК с многовходовой оперативной памятью все функции коммутации устройств перенесены в ОЗУ. Каждое ОЗУ имеет самостоятельную связь с каждым устройством, входящим в состав ВК. Это упрощает коммутацию, хотя и несколько усложняет ОЗУ. Чтобы число входов-выходов не было слишком большим, ПУ отключаются от памяти через свои КВВ.

В многопроцессорных ВК обеспечивается доступ со стороны всех процессоров ко всему периферийному оборудованию.

В многомашинных ВС, представляющих собой совокупность нескольких ЭВМ, каждая из которых имеет полный набор всех ресурсов, связи ПУ с центральными устройствами и организация их работы мало отличается от их связи в обычных одиночных ЭВМ.

На рис. 11.6 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.

Адаптеры АКК и многовходовые ВЗУ подключаются к КВВ через стандартный ИФ ввода-вывода. При объединении в многомашинный комплекс мини-ЭВМ, обладающим объединённым ИФ, в качестве специальных ПУ используются переключатели шины, специальные коммутаторы и адаптеры межпроцессорной связи.

Вопросы к лекции

1. Нарисуйте схему доступа к данным через общее ВЗУ двух миниЭВМ: ЭВМ1 через свои специальные датчики получает некоторую опытную информацию, ЭВМ2 обладает ПУ для обработки этих данных, эта машина результаты обработки записывает себе и посредством ООЗУ передаёт ЭВМ1. Обратите внимание на то, какие интерфейсы и средства доступа используются для каждой конкретной связи.

2. Нарисуйте подробную схему обращения из прикладной программы к ПУ, которое вызывается по логическому имени, указывая все аппаратно-программные компоненты и информацию, которая передается между компонентами.

3. В чем заключается логическая организация систем ввода-вывода в мини- и микроЭВМ: а) со специальными командами ввода-вывода; б) без специальных команд ввода-вывода?

4. В чем заключается принципиальное отличие логической организации ЭВМ для ОС MS-DOS и ЭВМ для ОС Unix и OS/2?

-5-

Рис. 11.6. Структура многомашинного ВК

ПУ

Рис. 11.5. Структура многопроцессорных ВК с общей шиной (а), с перекрёстной коммутацией (б) и с многовходовой оперативной памятью (в)

Рис. 11.4 Логическая организация СВВ для микро- и миниЭВМ без специальных команд ввода-вывода:

КПУ - контроллер ПУ; СТ - системная таблица; БУД - блок управления данными; МП - монитор программ

е

ние

МП

Рис. 11.3. Логическая организация ЭВМ для ОС UNIX, OS/2: ЗСВВ - загружаемая система ввода-вывода

Рис. 11.2. Логическая организация ЭВМ со специальными командами ввода-вывода в системе команд машины, где ОПрер - обработчик прерываний; РВВ - расширение ввода-вывода; ПВВ - программы ввода-вывода; ИоК - информация о контроллерах; 1- прерывания; 2 - обычные команды доступа к оперативной памяти; 3 - команды доступа к пространству ввода-вывода

Рис. 11.1. Логическая организация ЭВМ со специальной системой команд КВВ: ПП - прикладные программы; КП -канальные программы; СВВсО - средства ввода-вывода с очередями; ПУСх - подсистема управления синхронизацией; ИБСВВ - интерфейс базовых средств ввода-вывода; ТКС - телекоммуникационные системы;

БСВВ - базовые средства ввода-вывода


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75189. Сравнительно-исторический метод. Техника сравнения языков 40 KB
  Техника сравнения языков. На основе метода была создана и продолжает создаваться генеалогическая классификация языков устанавливающая родственные языки. Сравнивают ряд языков у которых схожие окончания глаголов настоящего времени изъявительного наклонения. Закон Гримма показал почему слова родственных языков отличны друг от друга.
75190. Германская группа 19.15 KB
  Северногерманская скандинавская подгруппа 1 Датский; письменность на основе латинского алфавита; служил литературным языком и для Норвегии до конца XIX в. 2 Шведский; письменность на основе латинского алфавита. 3 Норвежский; письменность на основе латинского алфавита первоначально датская так как литературным языком норвежцев до конца XIX в. 4 Исландский; письменность на основе латинского алфавита; письменные памятники с XIII в.
75191. Техника сравнения языков. Сравнительно-исторический метод 43.5 KB
  Техника сравнения языков Этот метод очень важен. На его основе бала создана генеалогическая классификация языков. Объединение языков в семьи группы подгруппы основывается на нем. устанавливает родственные связи языков.
75192. Системы грамматических категорий, форм 21.64 KB
  Во многих языках существует 3 рода и они никак не связаны с животным миром. В тюркских языках тоже нет деления на роды. Основным падежом особенно в индоевропейских языках является именительный или абсолютный. В индоевроп языках процесс исчезновения падежной системы происходил с древнейших времен процесс синкретизма объединение нескольких значений в одно.
75195. Искусственные языки 27 KB
  Искусственные языки Система изучающая данную область называется Интерлингвистика Она изучает аналоги человеческого языка и языки используемые в узколокальных целях например машинные языки Эсперанто окциденталь или интерлингве идо волапюк это искусственные языки которые изначально создавались с целью преодоления языкового барьера который существует в человечестве легенда о языковом барьере появилась ещё в дохристианское время во время строительства Вавилонской башни. в Варшаве появился проект языка эсперанто составленный...