5.1. Проблемы организации подсистем ввода-вывода

Производительность и эффективность использования ЭВМ определяют­ся не только возможностями ее процессора и характеристиками основной па­мяти, но в очень большой степени составом ее периферийных устройств (ПУ), их техническими данными и способом организации их совместной ра­боты с ядром (процессором и основной памятью) ЭВМ.

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интер­фейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуще­ствления обмена информацией между устройствами. От характеристик ин­терфейсов во многом зависят производительность и надежность ЭВМ.

При разработке систем ввода-вывода должны быть решены следующие проблемы:

1. Должна быть обеспечена возможность реализации машин с перемен­ным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией). В пер­вую очередь, с различным набором периферийных устройств с тем, чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройст­вами.

2. Для эффективного и высокопроизводительного использования обо­рудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение ПУ процедур ввода-вывода.

3. Для пользователя необходимо упростить и стандартизировать про­граммирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость програм­мирования ввода-вывода от особенностей того или иного ПУ.

4. Необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность уст­ройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и Др.)

Особенно актуально решение этих проблем для машин, содержащих большое число разнообразных ПУ.

Отметим основные пути решения указанных проблем.

Модульность. Средства современной ВТ проектируются на основе мо­дульного (или агрегатного) принципа. Он заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агре­гатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенк­латуре объединяться, образуя ЭВМ.

Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части машины никаких изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, ко­торыми ПУ обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе унифицированный формат сообщения, которое ПУ посылает в ядро о своем состоянии. Преоб­разование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспо­собленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ, точнее, в блоках управления ПУ (контроллерах, адаптерах).

Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и на­значению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигна­лы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор ко­манд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с лю­бым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных не­зависимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т.п.

Унификация распространяется на семейство (ряд, систему) моделей ЭВМ.

Для обеспечения параллельной во времени работы ПУ с выполнением программы процессором схемы управления вводом-выводом отделяют от процессора и придают им достаточную степень автономности.

Многие функции управления операциями ввода-вывода, как например управление прямым доступом к памяти, являются общими, они не зависят от типа ПУ. Другие являются специфичными для данного типа устройств.

Выполнение общих функций возлагают на общие для групп ПУ унифи­цированные устройства — контроллеры прямого доступа к памяти, процес­соры (каналы) ввода-вывода, а специфических — на специализированные для данного типа ПУ электронные блоки управления (адаптеры).

Производительность и эффективность использования ЭВМ определяют­ся не только возможностями ее процессора и характеристиками основной па­мяти, но в очень большой степени составом ее периферийных устройств (ПУ), их техническими данными и способом организации их совместной ра­боты с ядром (процессором и основной памятью) ЭВМ.

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью интер­фейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуще­ствления обмена информацией между устройствами. От характеристик ин­терфейсов во многом зависят производительность и надежность ЭВМ.

При разработке систем ввода-вывода должны быть решены следующие проблемы:

1. Должна быть обеспечена возможность реализации машин с перемен­ным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией). В пер­вую очередь, с различным набором периферийных устройств с тем, чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройст­вами.

2. Для эффективного и высокопроизводительного использования обо­рудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение ПУ процедур ввода-вывода.

3. Для пользователя необходимо упростить и стандартизировать про­граммирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость програм­мирования ввода-вывода от особенностей того или иного ПУ.

4. Необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность уст­ройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и Др.)

Особенно актуально решение этих проблем для машин, содержащих большое число разнообразных ПУ.

Отметим основные пути решения указанных проблем.

Модульность. Средства современной ВТ проектируются на основе мо­дульного (или агрегатного) принципа. Он заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агре­гатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенк­латуре объединяться, образуя ЭВМ.

Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части машины никаких изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, ко­торыми ПУ обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе унифицированный формат сообщения, которое ПУ посылает в ядро о своем состоянии. Преоб­разование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспо­собленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ, точнее, в блоках управления ПУ (контроллерах, адаптерах).

Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и на­значению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигна­лы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор ко­манд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с лю­бым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных не­зависимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т.п.

Унификация распространяется на семейство (ряд, систему) моделей ЭВМ.

Для обеспечения параллельной во времени работы ПУ с выполнением программы процессором схемы управления вводом-выводом отделяют от процессора и придают им достаточную степень автономности.

Многие функции управления операциями ввода-вывода, как например управление прямым доступом к памяти, являются общими, они не зависят от типа ПУ. Другие являются специфичными для данного типа устройств.

Выполнение общих функций возлагают на общие для групп ПУ унифи­цированные устройства — контроллеры прямого доступа к памяти, процес­соры (каналы) ввода-вывода, а специфических — на специализированные для данного типа ПУ электронные блоки управления (адаптеры).