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

4 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

71. Анализ состояния компьютерного обеспечения ООО ПФ Логос 43.51 KB
  Разработка тренажерных технологий, приобретение необходимых практических умений и навыков в области программирования и обработки данных. Овладения приемами разработки программных продуктов для автоматизированных систем обработки информации и управления.
72. Международные отношения России и Турции 45.25 KB
  Российско-турецкие отношения насчитывают более чем пятисотлетнюю историю. Это история военного соперничества за обладание территориями на Кавказе, Ближнем Востоке, Балканах, за политическое влияние в Европе и странах Ближнего Востока.
73. Природно-ресурсный потенциал России и Мурманской области 49.95 KB
  Анализ обеспеченности России и Мурманской области природными ресурсами. Исчерпаемые, в том числе возобновимые (растительность, запас питательных веществ в почве, запас воды в реках и озерах, годовой и подземный сток, растительный и животный мир) и невозобновимые (минеральные ресурсы, подземные воды, почвенный слой).
74. Управление маркетингом на предприятии Цифрал-Срвис 835 KB
  Миссия компании Цифрал-Срвис заключается в деятельности на благо общества и выражается в предоставлении высококачественных услуг в сфере обеспечения безопасности. Товар поставляется только в подъезды имеющие аудиодомофонное оборудование.
75. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств 584 KB
  Современные методы расчета подшипников качения и подшипников скольжения. Общие сведения о вариантах применения, конструкциях, режимах работы подшипников. Условный расчет подшипников скольжения, статическая грузоподъемность.
76. Решение задач оптимизации. Метод равномерного симплекса после завершения одного оборота 770.5 KB
  Метод равномерного симплекса после завершения одного оборота в области расположения стационарной точки. Отработка навыков решения задач безусловной оптимизации функции нескольких переменных методами прямого поиска и отработка навыков решения задач безусловной оптимизации градиентными методами.
77. Разработка методики проектирования схемы малошумящего усилителя 498.5 KB
  Усилитель выполнен в виде монолитной микроволновой интегральной схемы, цепи усилителя состоят из элементов с сосредоточенными параметрами. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя без согласующих цепей.
78. Классы Фиттинга конечных групп. Изучение множества с заданными алгебраическими операциями 614.5 KB
  Изучение множества с заданными алгебраическими операциями и отношениями. Двойственность классов Фиттинга, приведение последовательности и доступности изложения основных классовых и групповых теорий.
79. WEB–орієнтована інформаційна система Math 615.5 KB
  Теоретичні відомості розробки інформаційного сервера. Крім доступу до статичних документів сервера існує можливість одержання документів як результату виконання прикладної програми. Саме зазначені технології на основі загальних принципів побудови мережі Internet і, особливо, на базі системи протоколів.