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

22910. Теорема про розклад визначника за елементами рядка або стовпчика 67 KB
  Доповнюючим мінором елемента aij називається визначник Mij який одержуються викресленням з визначника Δ i го рядка та j го стовпчика. Ця теорема дозволяє звести обчислення визначника n го порядку до обчислення визначників порядку n1. Фіксуємо iй рядок визначника Δ та доведемо що всі добутки що складають доданок aijAij входять у визначник Δ причому з таким самим знаком як і у доданку aijAij.
22911. Визначник Вандермонда 32.5 KB
  Визначником Вандермонда n го порядку називається визначник. Доведення проведемо індукцією за порядком n визначника При n=2 Припустимо що твердження виконується для визначника Вандкрмонда Δn1 порядку n1 і знайдемо визначник Δn. Як відомо визначник не змінюється якщо від деякого рядка відняти інший рядок домножений на число. Тому у визначника Δn спочатку від останнього рядка віднімаємо рядок з номером n1 домножений на a1.
22912. Системи лінійних рівнянь 22 KB
  Система лінійних рівнянь називається сумісною якщо вона має принаймні один розвязок. Система лінійних рівнянь називається несумісною якщо вона не має розвязків. Сумісна система лінійних рівнянь називається визначеною якщо вона має єдиний розвязок.
22913. ТЕОРЕМА КРАМЕРА 43.5 KB
  Αn1x1αn2x2αnnxn=βn Складемо визначник з коефіцієнтів при змінних α11 α12 α1n Δ= α21 α22 α2n αn1 αn2 αnn Визначник Δ називається головним визначником системи лінійних рівнянь 1. Якщо головний визначник Δ квадратної системи лінійних рівнянь 1 не дорівнює нулю то система має єдиний розвязок який знаходиться за правилом: 2 Формули 2називаються формулами Крамера. Домножимо перше рівняння системи 1 на A11 друге рівняння на А21 і продовжуючи так далі nе рівняння системи домножимо на Аn1. Отримаємо рівняння яке...
22914. Обчислення рангу матриці 20.5 KB
  Основними методами обчислення рангу матриці є методи оточення мінорів теоретичний і метод елементарних перетворень практичний. Методи оточення мінорів полягає в тому що в ненульовій матриці шукається базисний мінор. Тоді ранг матриці дорівнює порядку базисного мінору.
22915. Теорія систем лінійних рівнянь 24 KB
  Основною матрицею системи 1 називаються матриці порядку m x n. Ранг основної матриці системи A називається рангом самої системи рівнянь 1. Розміреною матрицею системи рівнянь 1 називається матриця порядку mxn1.
22916. Теорема Кронекера – Капелі (критерій сумісної системи лінійних рівнянь) 46 KB
  Припустимо що система сумісна і числа λ1λ2λn утворюють розвязок системи. Вертикальний ранг основної матриці системи дорівнює рангу системи векторів a1a2an вертикальний ранг розширеної матриці співпадає з рангом системи векторів a1a2anb. Оскільки вектор b лінійно виражається через a1a2an за теоремою 2 про ранг ранги системи векторів a1a2an і a1a2anb співпадають.
22917. Розв’язки системи лінійних рівнянь 50 KB
  Оскільки система сумісна ранги матриці A і рівні і дорівнюють r. Система переписується таким чином: Всі розвязки системи можна одержати таким чином. Одержується система лінійних рівнянь відносно базисних змінних x1x2xr.
22918. Еквівалентні системи лінійних рівнянь 29.5 KB
  Дві системи лінійних рівнянь з однаковим числом змінних називаються еквівалентними якщо множники їх розвязків співпадають. Зокрема дві несумісні системи з однаковим числом змінних еквівалентні. Еквівалентними перетвореннями системи лінійних рівнянь називаються перетворення які зводять систему до еквівалентних систем.