Архитектура вычислительных систем 04 Ввод-вывод Ввод-вывод Устройства

Архитектура вычислительных систем 04. Ввод-вывод

Ввод-вывод Устройства ввода-вывода Управление Программируемый вывод Прерывания DMA Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 2

01. Аппаратура ввода-вывода Работающие с пользователем. Используются для связи с пользователем компьютера. Работающие с компьютером. Используются для с электронным оборудованием. Коммуникации. Используются для связи с удаленными устройствами. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 3

01. Аппаратура ввода-вывода Скорость передачи данных. Применение. Сложность управления. Единицы передачи информации. Представление данных. Условия ошибок. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 4

01. Скорость передачи данных Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 5

01. Классификация Обмен данными: Блочные Символьные Доступ к данным Устройства последовательного доступа Устройства произвольного доступа Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 6

01. Общие сведения Внешние устройства разнесены пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода. Каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 7

01. Общие сведения Устройства ввода-вывода подключаются к системе через порты. Могут существовать два адресных пространства: пространство памяти и пространство ввода-вывода. Порты, как правило, отображаются в адресное пространство ввода-вывода и иногда – непосредственно в адресное пространство памяти. Использование того или иного адресного пространства определяется типом команды, выполняемой процессором, или типом ее операндов. Физическим управлением устройством ввода-вывода, передачей информации через порт и выставлением некоторых сигналов на магистрали занимается контроллер устройства. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 8

01. Контроллеры Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 9

01. Общие сведения В современных компьютерах выделяют как минимум три шины: шину данных, состоящую из линий данных и служащую для передачи информации между процессором и памятью, процессором и устройствами ввода-вывода, памятью и внешними устройствами; адресную шину, состоящую из линий адреса и служащую для задания адреса ячейки памяти; шину управления, состоящую из линий управления локальной магистралью и линий ее состояния. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 10

01. Общие сведения На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу ячейки памяти, в которую будет осуществляться передача информации. На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть записана в память. После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с памятью, что приведет к занесению необходимой информации по нужному адресу. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 11

02. Контроллеры Устройства ввода-вывода обычно состоят из двух частей: механическая - диск, принтер, монитор электронная - контроллер или адаптер Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. Регистр состояния Регистр управления Регистр входных данных Регистр выходных данных Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 12

02. Контроллеры Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 13

02. Управление устройством Реализации доступа к управляющим регистрам: Раздельные адресные пространства. Отображаемый на адресное пространство памяти ввод-вывод. Смешанная реализация Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 14

02. Управление устройством Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 15

02. Раздельные АП Номер порта ввода-вывода - назначается каждому управляющему регистру. Адресные пространства ОЗУ и устройства ввода-вывода в этой схеме не пересекаются. Недостатки Для чтения и записи применяются специальные команды, например: IN и OUT Необходим специальный механизм защиты от процессов Необходимо сначала считать регистр устройства в регистр процессора Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 16

02. Отображаемый ввод-вывод Достоинства: не требуются специальные команды процессора. не требуется специального механизма защиты от пользовательских процессов, пытающихся обращаться к внешним устройствам. При отображении регистров ввода-вывода на память каждая команда процессора, обращающаяся к памяти, может с тем же успехом обращаться к управляющим регистрам устройства. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 17

02. Отображаемый ввод-вывод Недостатки При кэшировании памяти, могут кэшироваться и регистры устройств. Кэширование управляющих регистров привело бы просто к катастрофе. Все устройства должны проверять все обращения к памяти, чтобы определить, на какие им реагировать. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 18

02. Смешанная реализация Используется в х86 и Pentium, от 0 до 64 К отводится портам, от 640 до 1 М зарезервировано под буферы данных. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 19

03. Программируемый ВВ Алгоритм печати: 1. Строка для печати собирается в пространстве пользователя. 2. Обращаясь к системному вызову, процесс получает принтер. 3. Обращаясь к системному вызову, процесс просит распечатать строку на принтере. 4. Операционная система копирует строку в массив, расположенный в режиме ядра. 5. ОС копирует первый символ в регистр данных принтера, который отображен на памяти. 6. Символ печатается на бумаге. 7. Указатель устанавливается на следующий символ. 8. Процессор ждет, когда бит готовности принтера выставится в готовность. 9. Все повторяется. ИИТ. Мокрушин А. А. Кафедра 20

03. Программируемый ВВ Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 21

04. Прерывания Если в предыдущем примере буфер не используется, а принтер печатает 100 символов в секунду, то на каждый символ будет уходить 10 мс, в это время процессор будет простаивать, ожидая готовности принтера. После того как устройство ввода-вывода начало работу, процессор переключается на другие задачи. Чтобы сигнализировать процессору об окончании работы, устройство инициализирует прерывание, выставляя сигнал на выделенную устройству линию шины (а не выделенный провод). Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 22

04. Прерывания Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 23

04. Прерывания Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 24

04. Прерывания Контроллер прерываний. Если необработанных прерываний нет, прерывание выполняется немедленно. Если необработанные прерываний есть, контроллер игнорирует прерывание. Но устройство продолжает удерживать сигнал прерывания на шине до тех пор, пока оно не будет обработано. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 25

04. Прерывания Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 26

05. Прямой доступ к памяти реализуется с помощью DMA - контроллера. Контроллер содержит несколько регистров: регистр адреса памяти счетчик байтов управляющие регистры, могут содержать: - порт ввода-вывода - чтение или запись - единицы переноса (побайтно или пословно) Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 27

05. Прямой доступ к памяти Без контроллера происходит следующее: Процессор дает команду дисковому контроллеру прочитать данные в буфер, Считываются данные в буфер, контроллер проверяет контрольную сумму считанных данных (проверка на ошибки). Процессор, до прерывания, переключается на другие задания. Контроллер диска инициирует прерывание Операционная система начинает работать и может считывать из буфера данные в память Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 28

05. Прямой доступ к памяти Процессор программирует контроллер (какие данные и куда переместить) Процессор дает команду дисковому контроллеру прочитать данные в буфер Считываются данные в буфер, контроллер диска проверяет контрольную сумму считанных данных, (процессор, до прерывания, переключается на другие задания). Контроллер DMA посылает запрос на чтение дисковому контроллеру Контроллер диска поставляет данные на шину, адрес памяти уже находится на шине, происходит запись данных в память Когда запись закончена, контроллер диска посылает подтверждение DMA контроллеру DMA контроллер увеличивает используемый адрес и уменьшает значение счетчика байтов Все повторяется с пункта 4, пока значение счетчика не станет равной нулю. Контроллер DMA инициирует прерывание Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 29

05. Прямой доступ к памяти Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 30

05. Конфигурации DMA Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 31

06. Буферизация Использование буферизации Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 32

06. Буферизация Не буферизованный ввод - после ввода каждого символа происходит прерывание Буферизация в пространстве пользователя Буферизация в ядре с копированием в пространство пользователя Двойная буферизация в ядре Цикличная буферизация. Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 33

4. 4 Буферизация Кафедра ИИТ. Мокрушин А. А. 34