Ввод-вывод информации

В ЭВМ используются два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти (ПДП).

Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора. Например, при пересылке блока данных из периферийного устройства в оперативную память процессор должен выполнить следующую последовательность шагов:

1. сформировать начальный адрес области обмена ОП;
2. занести длину передаваемого массива данных в один из внутренних регистров, который будет играть роль счетчика;
3. выдать команду чтения информации из УВВ; при этом на шину адреса из МП выдается адрес УВВ, на шину управления - сигнал чтения данных из УВВ, а считанные данные заносятся во внутренний регистр МП;
4. выдать команду записи информации в ОП; при этом на шину адреса из МП выдается адрес ячейки оперативной памяти, на шину управления - сигнал записи данных в ОП, а на шину данных выставляются данные из регистра МП, в который они были помещены при чтении из УВВ;
5. модифицировать регистр, содержащий адрес оперативной памяти;
6. уменьшить счетчик длины массива на длину переданных данных;
7. если переданы не все данные, то повторить шаги 3-6, в противном случае закончить обмен.

Как видно, программно-управляемый обмен ведет к нерациональному использованию мощности микропроцессора, который вынужден выполнять большое количество относительно простых операций, приостанавливая работу над основной программой. При этом действия, связанные с обращением к оперативной памяти и к периферийному устройству, обычно требуют удлиненного цикла работы микропроцессора из-за их более медленной по сравнению с микропроцессором работы, что приводит к еще более существенным потерям производительности ЭВМ.

Альтернативой программно-управляемому обмену служит прямой доступ к памяти - способ быстродействующего подключения внешнего устройства, при котором оно обращается к оперативной памяти, не прерывая работы процессора [ 3 ] . Такой обмен происходит под управлением отдельного устройства - контроллера прямого доступа к памяти (КПДП) .

Структура ЭВМ, имеющей в своем составе КПДП, представлена на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Обмен данными в режиме прямого доступа к памяти

Перед началом работы контроллер ПДП необходимо инициализировать: занести начальный адрес области ОП, с которой производится обмен, и длину передаваемого массива данных. В дальнейшем по сигналу запроса прямого доступа контроллер фактически выполняет все те действия, которые обеспечивал микропроцессор при программно-управляемой передаче.

Последовательность действий КПДП при запросе на прямой доступ к памяти со стороны устройства ввода-вывода следующая:

1. Принять запрос на ПДП (сигнал DRQ ) от УВВ.
2. Сформировать запрос к МП на захват шин (сигнал HRQ ).
3. Принять сигнал от МП ( HLDA ), подтверждающий факт перевода микропроцессором своих шин в третье состояние.
4. Сформировать сигнал, сообщающий устройству ввода-вывода о начале выполнения циклов прямого доступа к памяти ( DACK ).
5. Сформировать на шине адреса компьютера адрес ячейки памяти, предназначенной для обмена.
6. Выработать сигналы, обеспечивающие управление обменом ( IOR, MW для передачи данных из УВВ в оперативную память и IOW, MR для передачи данных из оперативной памяти в УВВ).
7. Уменьшить значение в счетчике данных на длину переданных данных.
8. Проверить условие окончания сеанса прямого доступа (обнуление счетчика данных или снятие сигнала запроса на ПДП ). Если условие окончания не выполнено, то изменить адрес в регистре текущего адреса на длину переданных данных и повторить шаги 5-8.

Прямой доступ к памяти позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы и обмен данными между периферийным устройством и оперативной памятью.

Обычно программно-управляемый обмен используется в ЭВМ для операций ввода-вывода отдельных байт (слов), которые выполняются быстрее, чем при ПДП, так как исключаются потери времени на инициализацию контроллера ПДП, а в качестве основного способа осуществления операций ввода-вывода используют ПДП. Например, в стандартной конфигурации персональной ЭВМ обмен между накопителями на магнитных дисках и оперативной памятью происходит в режиме прямого доступа.

Как отмечалось выше, обычно компьютер строится по магистрально-модульному принципу. При этом все составляющие его устройства объединяются общей шиной, по которой между ними происходит обмен данными, адресами, а также управляющими сигналами. В качестве примера перечислим основные линии, составляющие одну из распространенных системных магистралей - шину ISA:

A0-A23 - шина адреса;

D0-D15 - двунаправленная шина данных, допускает обмен как байтами, так и словами (2 байта);

CLK - шинный тактовый сигнал, синхронизирует работу процессора, ОП и УВВ;

MR - управляющий сигнал чтения из ОП;

MW - управляющий сигнал записи в ОП;

IOR - управляющий сигнал чтения из УВВ;

IOW - управляющий сигнал записи в УВВ;

IRQ_i - запрос прерывания от i -го источника;

DRQ_i - запрос прямого доступа к памяти по i -му каналу контроллера ПДП ;

DACK_i - разрешение прямого доступа к памяти i -му каналу контроллера ПДП ;

AEN - сигнал занятости шин обменом в режиме ПДП,

READY - сигнал готовности УВВ к обмену.

Магистраль обеспечивает подключение до семи внешних устройств, работающих в режиме прямого доступа к памяти, и до 11 запросов прерываний от УВВ. Еще четыре запроса прерываний зарезервированы за устройствами, входящими в состав стандартной конфигурации ЭВМ, и на магистраль не выведены.

Хотя шина ISA имеет небольшую информационную ширину и в настоящее время используется для подключения только относительно медленных периферийных устройств, ее состав позволяет в определенной мере проследить взаимосвязь различных рассмотренных ранее устройств, составляющих ЭВМ.

Организация ЭВМ на основе общей шины является сдерживающим фактором для повышения производительности компьютера. Следует отметить, что даже при использовании прямого доступа к памяти процессор полностью не освобождается от управления операциями ввода-вывода. Он обеспечивает инициализацию контроллера ПДП, а также взаимодействует с ним по некоторым управляющим линиям. Более того, во время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с оперативной памятью - блокированной.

Это существенно сказывается на эффективности работы ЭВМ, особенно в тех случаях, когда в вычислительной системе используется большое количество высокоскоростных внешних устройств. Для решения этой проблемы в состав высокопроизводительных компьютеров иногда включают специализированные процессоры ввода-вывода, способные полностью разгрузить основной процессор от управления операциями обмена с внешними устройствами.