Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
 МегаЛекции

Интерфейсы внешних запоминающих устройств IBM PC




Принципы управления

Вычислительные машины, помимо процессоров и основной памя­ти (образующих ее ядро), содержат многочисленные периферийные устройства (ПУ): ВЗУ и УВВ.

Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называ­ется операцией ввода, а передача из ЭВМ в ПУ — операцией вывода.

Производительность и эффективность ЭВМ определяются не толь­ко возможностями ее процессора и характеристиками ОП, но и соста­вом ПУ, их техническими данными и способами организации их со­вместной работы с ЭВМ.

При разработке систем ввода-вывода ЭВМ особое внимание об­ращается на решение следующих проблем:

• 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;

• для эффективного и высокопроизводительного использования обо­рудования в ЭВМ должны реализовываться одновременная рабо­та процессора над программой и выполнение периферийными уст­ройствами процедур ввода-вывода;

• необходимо упростить для пользователя и стандартизовать про­граммирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного •периферийного устройства;

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

Первый шаг в совершенствовании структуры ЭВМ с целью по­вышения производительности был сделан при разработке второго поколения ЭВМ, когда впервые была обеспечена автономность вне­шних устройств. Сначала она была необходима для согласования ско­рости работы устройств ЭВМ.

Однако автономность потребовала проведения проверок исправ­ности устройств при каждом обращении к ним. Появилась определен­ная технология обращения к автономным внешним устройствам — интерфейс.

Когда эту технологию унифицировали, появилось понятие стан­дартного интерфейса.

Стандартизация интерфейсов ввода-вывода привела к возможно­сти гибко изменять конфигурацию вычислительных машин (количе­ство и состав внешних устройств, расширять комплект ЭВМ за счет подключения новых устройств).

Затем появилась концепция виртуальных устройств, позволяющая совмещать различные типы ЭВМ, операционные системы. Совмести­мость распространилась и на работу машин разной конфигурации (можно использовать соответствующее программное обеспечение и при физическом отсутствии необходимых устройств).

Изменилась и технология работы — при отсутствии печатающих устройств файлы направлялись в виртуальное устройство, где и на­капливались, а реально распечатывались на другой машине.

Дальнейшее совершенствование интерфейсов потребовалось при решении специфических задач: новые внешние устройства (сканеры) позволяли вводить текст в графическом виде, а обрабатывать его надо было в символьном виде. Поэтому возникла необходимость в систе­мах распознавания, идентификации, преобразования из графического формата в символьный.

При анализе снимков из космоса появилась необходимость авто­матической классификации наблюдаемых объектов, самообучения распознающей программы, анализа сцен.

Все это стимулировало развитие специального математического аппарата в интерфейсах.

Необходимость вывода информации различными шрифтами при­вела к изменению технологии вывода, связанной с применением TrueType-шрифтов, масштабированием матричных и векторных изоб­ражений, преобразованием векторных символов в матричные.

В о внешние устройства стали встраивать свою основную память, объем которой должен обеспечивать вывод целой страницы (напри­мер, текста) при плотности 600 точек/дюйм — этот объем превышает иногда объем основной памяти ЭВМ.

Необходимость пересчета при преобразовании векторных шриф­тов в матричные привела к необходимости включить в состав уст­ройств отображения информации специальные графические процес­соры матричной архитектуры, в качестве которых часто использу­ются транспьютеры.

При создании автоматизированных рабочих мест появилась необ­ходимость подключения к ЭВМ аудиовизуальной аппаратуры — те­лекамер, видеомагнитофонов, фотокамер, аудиоустройств. На этой основе образовался специальный аппаратный комплекс, называемый анимационной линейкой. Из-за технической несовместимости необхо­димой для таких комплексов аппаратуры потребовались программ­ные и аппаратные преобразователи сигналов, специальные средства сопряжения.

При разработке пятого поколения ЭВМ была заложена интеллек­туализация общения: речевой ввод и вывод; графический ввод; ввод текстовой информации без клавиатуры; естественно-языковое обще­ние; общение на разных естественных языках.

Все это и явилось основой для совершенствования систем, обеспе­чивающих связь ЭВМ с периферийными устройствами.

В общем случае для организации и проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные средства:

• специальные управляющие сигналы и их последовательности;

• устройства сопряжения;

• линии связи;

• программы, реализующие обмен.

Весь этот комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, ал­горитмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсом.

В зависимости от типа соединяемых устройств различаются:

• внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ;

• интерфейс ввода-вывода — для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.);

• интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) — для сопряжения различных ЭВМ (например, при об­разовании вычислительных сетей);

• интерфейсы «человек — машина» — для обмена информацией меж­ду человеком и ЭВМ.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального аппа­ратного комплекса (рис. 6.1).

Характер использования этого аппаратного комплекса определя­ется технологией обмена, установленным церемониалом, идеологией данного интерфейса, протоколом общения.

Особое место занимает человеко-машинный интерфейс, реализу­ющий специфические методы организации общения. Например, цере­мониал человеко-машинного общения предусматривает «дружествен­ность пользователю», которая может обеспечиваться техническими средствами, программами и технологией общения.

Если интерфейс обеспечивает обмен одновременно всеми разряда­ми передаваемой информационной единицы (чаще всего — байта или машинного слова), он называется параллельным интерфейсом.

Внутренний интерфейс ЭВМ всегда делается параллельным или последовательно-параллельным (если одновременно передается не вся информационная единица, а ее часть, содержащая несколько двоичных разрядов: например, i8088 обеспечивает побайтовый, a 80386SX — двух­байтовый обмен через системную магистраль, тогда как основная ин­формационная единица — машинное слово — имеет длину: у 8086 — 2 байта, а у 80386 — 4 байта).

Интерфейсы межмашинного обмена обычно последовательные, т.е. в них обмен информацией производится по одному биту, последова­тельно.

Для параллельного и последовательно-параллельного интерфейса необходимо, чтобы участники общения были связаны многожильным интерфейсным кабелем (количество жил не меньше числа одновремен­но передаваемых разрядов — бит). В последовательных интерфейсах участники общения связываются друг с другом одно-двух-проводной линией связи, световодом, коаксиальным кабелем, радиоканалом.

В зависимости от используемых при обмене программно-техничес­ких средств интерфейсы ввода-вывода делятся на два уровня: физический и логический (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Логический и физический уровни интерфейсов ввода-вывода

В зависимости от степени участия центрального процессора в об­мене данными в интерфейсах может использоваться три способа уп­равления обменом:

• режим сканирования (так называемый «асинхронный» обмен);

• синхронный обмен;

• прямой доступ к памяти.

Для внутреннего интерфейса ЭВМ режим сканирования предус­матривает опрос центральным процессором периферийного устрой­ства (ПФУ): готово ли оно к обмену, и если нет, то продолжается оп­рос периферийного устройства (рис. 6.3).

Операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать сложную быстродействующую аппаратуру процессора, в результате чего в режиме сканирования снижается про­изводительность вычислительной машины.

Вместе с тем при пересылке блока данных процессору приходится для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) выполнять довольно много команд (чтобы обеспечить буферизацию данных, пре­образование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п.). В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных даже через высокопроизводи­тельный процессор может оказаться неприемлемой для систем управ­ления, работающих в реальном масштабе времени.

Режим сканирования упрощает подготовку к обмену, но имеет ряд недостатков:

• процессор постоянно задействован и не может выполнять другую работу;

• при большом быстродействии периферийного устройства процес­сор не успевает организовать обмен данными.

Рис. 6.3. Алгоритм сканирования

В синхронном режиме центральный процессор выполняет основ­ную роль по организации обмена, но в отличие от режима сканирова­ния не ждет готовности устройства, а осуществляет другую работу. Когда в нем возникает нужда, внешнее устройство с помощью соот­ветствующего прерывания обращает на себя внимание центрального процессора.

Для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процес­сора от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти (DMA — Direct Memory Access).

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от процессора установление связи и пе­редачу данных между основной памятью и внешним устройством.

В режиме прямого доступа к памяти используется специализиро­ванное устройство — контроллер прямого доступа к памяти, кото­рый перед началом обмена программируется с помощью центрально­го процессора: в него передаются адреса основной памяти и количе­ство передаваемых данных. Затем центральный процессор от контроллера прямого доступа к памяти отключается, разрешив ему работать, и до окончания обмена может выполнять другую работу. Об оконча­нии обмена контроллер прямого доступа к памяти сообщает процес­сору. В этом случае участие центрального процессора косвенное. Об­мен ведет контроллер прямого доступа к памяти. Прямой доступ к памяти (ПДП):

• освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода;

• позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение про­цессором программы с обменом данными между внешним устрой­ством и основной памятью;

• производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью основной памяти и внешним устрой­ством.

ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вы­вода, способствует увеличению общей производительности ЭВМ, дает возможность машине более приспособленно работать в системах ре­ального времени.

 

Прямой доступ к памяти

При работе в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) контрол­лер ПДП выполняет следующие функции:

• принимает запрос на ПДП от внешнего устройства;

• формирует запрос микропроцессору на захват шин системной ма­гистрали;

• принимает сигнал, подтверждающий вход микропроцессора в со­стояние захвата (перехода в z-состояние, при котором процессор отключается от системной магистрали);

• формирует сигнал, сообщающий внешнему устройству о начале выполнения циклов ПДП;

• выдает на шину адреса системной магистрали адрес ячейки ОП, предназначенной для обмена;

• вырабатывает сигналы, обеспечивающие управление обменом данными;

• по окончании ПДП либо организует повторение цикла ПДП, либо

прекращает режим ПДП, снимая запросы на него.

Циклы ПДП выполняются с последовательно расположенными ячейками памяти, поэтому контроллер ПДП имеет счетчик числа пе­реданных байтов.

На рис. 6.4 приведена схема взаимодействия устройств микропро­цессорной системы в режиме ПДП.

Контроллеры ПДП (КПДП) в IBM PC совместимы снизу вверх, т.е. программы, написанные с использованием КПДП ранних моде­лей ЭВМ, нормально работают и на более поздних моделях.

Рис. 6.4. Взаимодействие устройств в режиме ПДП

Каждый канал КПДП состоит из четырех 16-разрядных регистров (рис. 6.5): регистр текущего адреса (CAR), регистр циклов ПДП (CWR), регистр хранения базового адреса (BAR), регистр хранения базового числа циклов ПДП (WCR) и 6-разрядного регистра режима (MR).

Регистр текущего адреса хранит текущий адрес ячейки памяти при выполнении цикла ПДП. После выполнения каждого цикла ПДП со­держимое этого регистра увеличивается или уменьшается на едини­цу. Оно может быть прочитано или загружено с помощью двух ко­манд IN или OUT соответственно, каждая из которых работает только с одним байтом. В режиме автоинициализации содержимое ре­гистра текущего адреса при обновлении принимает базовый адрес из регистра хранения базового адреса.

Регистр циклов ПДП хранит число слов, предназначенных для пере­дачи. При выполнении циклов регистр работает в режиме вычитающего счетчика. При переходе из нулевого состояния в FFFFH вырабатывает­ся управляющий сигнал для блока управления контроллером. Регистр может быть прочитан двумя командами IN. В него можно осуществить запись двумя командами OUT из микропроцессора или в режиме иници­ализации — из регистра хранения базового числа циклов ПДП.

Регистры BAR и WCR предназначены для хранения констант — базового адреса и базового числа циклов. Они загружаются в режиме программирования КПДП одновременно с регистрами CAR и CWR. В процессе выполнения циклов ПДП их содержимое не изменяется. Прочитать состояние этих регистров невозможно.

Регистр режима определяет режим работы канала. Он содержит информацию о номере канала, типе цикла ПДП (чтение (ОП ← ВУ), запись (ОП → ВУ), проверка), необходимости автоинициализации, режиме изменения регистра текущего адреса (CAR) — увеличение или уменьшение и режиме работы канала — передача по запросу, одиноч­ная передача, блочная передача, каскадирование (работа в составе каскада КПДП).

Регистр команд блока управления режимом определяет основные параметры работы канала. Загружается при программировании КПДП микропроцессором. Регистр условий хранит разрешение на ПДП каждому каналу (ус­танавливаемые программно) и запоминает факт перехода через 0 в регистре хранения базового числа циклов каждого канала.

Контроллер ПДП может работать в двух основных режимах: в режиме программирования и в режиме выполнения циклов ПДП.

В режиме программирования микропроцессор работает с КПДП, как с внешним устройством. После загрузки в КПДП управляющих слов контроллер переходит в пассивное состояние. В этом состоянии КПДП будет находиться до тех пор, пока не поступит запрос на ПДП от ВУ или от микропроцессора. Обнаружив запрос на ПДП, контрол­лер выставляет микропроцессору запрос на захват системной магис­трали и ожидает от него подтверждения захвата (т.е. отключения МП от СМ, перехода его выходов в состояние высокого сопротивления, г-состояния). При получении сигнала подтверждения захвата, контрол­лер начинает выполнять циклы ПДП.

Системная магистраль (СМ) в режиме прямого доступа к памяти используется мультиплексно КПДП и микропроцессором, причем ос­новное управление системной магистралью выполняет КПДП, а МП получает к ней доступ на очень короткие промежутки времени для обмена информацией с основной памятью.

Рис. 6.5. Структурная схема контроллера ПДП

Несмотря на большую самостоятельность ПДП, ведущее положе­ние в МП-системе остается все-таки за микропроцессором, который, запустив обмен информацией в режиме ПДП, продолжает выполнять свою работу.

 

Интерфейс системной шины

Системная магистраль является узким местом ЭВМ, так как все устройства, подключенные к ней, конкурируют за возможность пере­давать свои данные по ее шинам.

Системная магистраль — это среда передачи сигналов управления, адресов, данных, к которой параллельно и одновременно могут под­ключаться несколько компонентов вычислительной системы. Физически системная магистраль представляет собой параллельные проводники на материнской плате, которые называются линиями. Но это еще и ал­горитмы, по которым передаются сигналы, правила интерпретации сигналов, дисциплины обслуживания запросов, специальные микросхе­мы, обеспечивающие эту работу. Весь этот комплекс образует поня­тие интерфейс системной магистрали, или стандарт обмена.

Первоначально системная магистраль имела довольно простую архитектуру, но в процессе появления новых стандартов обмена ее конструкция усложнялась. СМ стала делиться на системную и ло­кальную, графическую и периферийную (см. Стандарты VESA, PCI, USB). Исторически все интерфейсы СМ ведут свою родословную от стандарта IBM MULTIBUS, для которого фирмой был разработан комплект микросхем (chipset). Этот стандарт мог обслуживать пере­дачу 8- и 16-битовых данных, работать в мультипроцессорном режи­ме с несколькими ведущими устройствами. Понятие ведущее/ведо­мое устройство могло динамически переопределяться с помощью сиг­налов управления (например, контроллер ПДП в режиме программи­рования — ведомое устройство, а в активном режиме — ведущее). Для этого стандарта характерно наличие следующих линий: 20 линий адресов, 16 линий данных, 50 управляющих и служебных линий.

Для IBM PS-2 в 1987 г. был разработан стандарт «Микроканал» — MCA (Micro Channel Architecture). В нем 24-разрядная шина адреса. Шина данных увеличена до 32 бит. Отказались от перемычек и пере­ключателей, определяющих конфигурацию технических средств, и ввели CMOS-память (Complementary Metal Oxyde Semicondactor), по­зволяющую хранить эту информацию и при отключении питания. Все оборудование, подключаемое к системной магистрали, содержит спе­циальные регистры POS (Programmable Option Select), позволяющие конфигурировать систему программным путем. При тактовой час­тоте 10 МГц скорость передачи данных составляла 20 Мбайт/с.

Для IBM PC XT был разработан стандарт ISA (Industry Standart Architecture), который имеет две модификации — для XT и AT. В ISA XT шина данных — 8 бит, шина адресов — 20 бит, шина управления — 8 линий. В ISA AT шина данных увеличена до 16 бит. Встречаются и 32-битовые ISA, но это — нестандартизованное расширение. Тактовая час­тота для работы СМ в стандарте ISA составляет 8 МГц. Производи­тельность ISA XT — 4 Мбайта/с, ISA AT — от 8 до 16 Мбайт/с.

Стандарт EISA (Extended ISA) — это жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивно совместима с ISA-адапте­рами внешних устройств. Предназначена для многозадачных систем, файл-серверов и систем, в которых требуется высокоэффективное расширение ввода-вывода. При тактовой частоте 8,33 МГц скорость передачи данных составляла 33 Мбайта/с.

Стандарт VESA (VESA Lokal Bas, или VLB) разработан Ассоци­ацией стандартов видеоданных (Video Electronics Standart Association) как расширение стандарта ISA для обмена видеоданными с адапте­ром SVGA. Обмен данными по этому стандарту ведется под управ­лением микросхем, расположенных на карте, устанавливаемой в спе­циальный слот (разъем) расширения VLB и соединяемой с СМ через стандартный слот расширения. В отличие от стандартных слотов расширения слот VLB связан с микропроцессором напрямую, минуя системную магистраль. Карта VLB, работая совместно с системной магистралью, реализующей стандарт ISA, обеспечивает 32-разряд­ную передачу данных с тактовой частотой микропроцессора (но не более 40—50 МГц). В стандартные слоты материнской платы с интерфейсом VLB устанавливаются карты расширения с интер­фейсом ISA. Производительность стандарта VLB достигает 132 Мбайт/с.

Стандарт PCI (Peripheral Component Interconnect) разработан фир­мой Intel для ЭВМ с МП Pentium. Это не развитие предыдущих стан­дартов, а совершенно новая разработка. Системная магистраль в со­ответствии с этим стандартом работает синхронно с тактом МП и осуществляет связь между локальной шиной МП и интерфейсами ISA, EISA или MCA. Но поскольку для этого интерфейса используются микросхемы, выпускаемые другими фирмами (Saturn — для 486, Mercury, Neptune, Triton — для Pentium), скорость работы СМ реаль­но составляет 30—40 Мбайт/с при теоретически возможной 132/264 Мбайта/с. Стандарт PCI разрабатывался как процессорно-независи­мый интерфейс. Помимо Pentium с этим интерфейсом могут работать и МП других фирм (Alpha корпорации DEC, MIPS R4400 и Power PC фирм Motorola, Apple и IBM). Стандарт PCI позволяет реализовать дополнительные функции: автоматическую конфигурацию перифе­рийных устройств (которая позволяет пользователю устанавливать дополнительные платы, не задумываясь над распределением преры­ваний, каналов ПДП и адресного пространства); работу при пони­женном напряжении питания, возможность работы с 64-разрядным интерфейсом. «Слоевая» структура интерфейса PCI снижает элект­рическую нагрузку на МП и позволяет одновременно управлять шес­тью периферийными устройствами, подключенными к СМ. Стандарт PCI позволяет использовать «мосты» (Bridges) для организации связи с другими стандартами (например, PCI to ISA Bridge).

Стандарт USB (Universal Serial Bus) — универсальный последова­тельный интерфейс, обеспечивающий обмен со скоростью 12 Мбайт/с и подключение до 127 устройств.

Стандарт PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) — интерфейс блокнотных ПЭВМ для подключения рас­ширителей памяти, модемов, контроллеров дисков и стриммеров, се­тевых адаптеров и др. Системная магистраль, выполненная по этому стандарту, имеет минимальное энергопотребление, ШД — на 16 ли­ний, ША — на 24 линии.

 

Интерфейсы внешних запоминающих устройств IBM PC

Для подключения жестких магнитных дисков к микропроцессор­ному комплекту используется один из 5 типов интерфейсов:

• ST506/412;

• ESDI (Enhanced Small Device Interface);

• SCSI (Small Computer System Interface); • IDE (Integrated Drive Electronics), известный так же как АТА (AT Attachement);

• EIDE (Enhanced-IDE).

Интерфейс SCSI является промышленным стандартом для подклю­чения таких устройств, как винчестеры, стриммеры, сменные и опти­ческие диски и др.

Он осуществляет параллельную пересылку данных (побайтно) с контролем по четности, что значительно повышает скорость его ра­боты. Применяется не только в IBM-совместимых ЭВМ, но и в VAX, Macintosh, SPARCstation и др. Он обслуживает одновременно до 8 устройств (одним из которых является основной (хост) адаптер SCSI). Хост-адаптер SCSI имеет свою собственную BIOS, которая занимает 16 Кбайт в верхней области памяти (UMB). Интерфейс обеспечивает удаление внешних ЗУ до 6 м при синфазном способе работы и до 25 м — при дифференциальном соединении (токовая петля).

Обмен между устройствами на магистрали SCSI происходит в со­ответствии с протоколом высокого уровня. Программы управления обменом составляются на CCS (Common Command Set) — это универ­сальный набор команд, обеспечивающий доступ к данным на логичес­ком уровне (в отличие от ESDI). Программное обеспечение SCSI не опе­рирует физическими характеристиками жестких дисков (числом цилин­дров, головок и т.д.), а имеет дело только с логическими блоками.

Для 32-разрядных микропроцессоров появился интерфейс SCSI-2, в спецификацию которого был введен так называемый «широкий» (wide) вариант шины данных — дополнительные 24 линии. Кроме «широкого», был разработан «быстрый» (fast) SCSI-2 с производитель­ностью 10 Мбит/с. Совместное их использование позволяет повысить производительность магистрали до 40 Мбит/с. Интерфейс может орга­низовывать очередь команд, в нем расширен состав команд. Плани­руется выпуск SCSI-3, позволяющего подключать большее количе­ство устройств и обеспечивающего работу с более длинным кабелем.

Интерфейс IDE (он же АТА, AT-bus, PC/AT, Task File) был предло­жен пользователям AT и XT в 1988 г. в качестве недорогой альтерна­тивы интерфейсам ESDI и SCSI. Его отличительная особенность — реализация функций контроллера в самом накопителе. Такое реше­ние позволяет сократить количество сигналов, передаваемых между системной платой и накопителем (остался один 40-жильный кабель), повысить производительность жесткого диска с 5 до 10 Мбит/с. В кон­троллере используются такие аппаратные средства, как кэш-память, трансляторы физических параметров диска в логические, что позво­ляет применять нестандартные параметры накопителя.

Выпуск малогабаритных компьютеров типа lap-top и notebook потребовал сокращения размеров как самого жесткого диска, так и его контроллера, поэтому новая концепция интерфейса IDE стала в них доминирующей. IDE-интерфейсы имеют ограничение сверху на емкость подклю­чаемых к ним жестких дисков — два накопителя по 528 Мбайт каж­дый. Этого недостатка лишен интерфейс EIDE, который позволяет подключать к одному контроллеру до 4 устройств, в том числе та­ких, как CD-ROM.

 
Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...