СУХТП лекции. Курс лекций Разработчик Афонин Ю. Д. Екатеринбург, 2007 2 Содержание
 Скачать 2.79 Mb.
|
Микро-ЭВМ связана с устройствами ввода-вывода, которые подключаются к магистрали. УВВ, называемые также периферийными или внешними устройствами, подразделяются на стандартные и нестандартные. К стандартным принято относить устройства, используемые при взаимодействии оператора с ЭВМ, а также при организации вычислительного процесса: видеотерминалы, накопители на гибких и жестких магнитных дисках, магнитных лентах, принтеры, видеоадаптеры и т.д. К нестандартной периферии мы будем относить УВВ, обеспечивающие связь микро-ЭВМ с технологическим объектом: аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модули управления шаговыми двигателями, различные счетчики, аппаратура в стандарте КАМАК, КОП и т.д.. В каждом УВВ, подключаемом к магистрали ЭВМ в общем случае можно выделить две части: функциональную и контроллер (рис. 2.5). 37 Контроллер Функциональная часть У ст р о й ст во вв о д а /в ы во д а Рисунок 2.5 – Устройство ввода/вывода. Функциональная часть реализует принцип работы данного УВВ. Контроллер управляет работой функциональной части по командам ЦП и выполняет некоторую комбинацию следующих функций: • передача состояния УВВ в ЭВМ; • обеспечение приема и буферного хранения данных, вводимых и выводимых из ЭВМ в УВВ; • передача команд от ЭВМ в УВВ; • сигнализация ЭВМ о завершении операции и об ошибке, возникшей во время операции; • сигнализация ЭВМ о необходимости обмена и о способе обмена. Для организации обмена с ЭВМ контроллер содержит один или несколько регистров, предназначенных для хранения информации, принятой с магистрали по линиям данных или которую необходимо выставить на линии данных. Процессор работает с регистрами УВВ так же, как с ячейками памяти. Среди регистров УВВ выделяют следующие: • регистр управления и состояния CSR (Control and Status Register) содержит информацию об операции, выполняемой УВВ, характеризует состояние УВВ и участвует в операциях по предоставлению прерывания; • регистр данных DSR (Data Storage Registor) испопьзуется при обмене данными между ЦП и УВВ. 38 Определенные разряды CSR иногда .называют флагами, говоря, что флаг установлен, если в разряде записана единица, или флаг сброшен, если в разряде записан нуль. В каждой микро-ЭВМ имеется рекомендуемый формат CSR, который используется для разработки интерфейсов. Операционные системы микро-ЭВМ предусматривают подключение стандартных УВВ, за каждым из которых закреплены стандартные для этой системы адреса, определены форматы CSR и DSR и выполняемые функции. При подключении нестандартных УВВ, что часто возникает в задачах технологического управления, приходится разрабатывать контроллеры и программное обеспечение для их обслуживания. 39 3. Обмен информацией с внешними устройствами 3.1 Способы обмена информацией с внешними устройствами Обмен информацией между ЭВМ и внешними по отношению к ней устройствами (периферией) является неотъемлемым элементом любого вычислительного процесса. В случае стандартной периферии и работы ЭВМ под управлением операционной системы весь процесс обмена оказывается скрытым от пользователя. Необходимо лишь оформить в программе соответствующую системную директиву ввода-вывода. Возможности, предоставляемые операционной системой, достаточно широки и удовлетворяют большинству потребностей, возникающих при работе со стандартной периферией. Непосредственное обращение к стандартным внешним устройствам можно допустить, только зная детали взаимодействия операционной системы с периферией, чтобы гарантировать отсутствие побочных эффектов, которые могут привести к нарушению нормального функционирования либо программы пользователя, либо операционной системы. Обычно в операционной системе имеются разнообразные средства защиты и контроля, направленные против непредусмотренного вмешательства чересчур активного, неумелого или неаккуратного пользователя. Особое значение вопрос организации обмена приобретает в автоматизированных системах, где ЭВМ взаимодействует с нестандартной периферией, поскольку от его решения во многом зависит эффективность использования ЭВМ. Обмен с нестандартной периферией, как правило, не поддерживается операционной системой и программируется пользователем. Для корректного проведения обмена необходимо ознакомиться с принципами организации ввода-вывода. Напомним, что передача информации происходит по линиям данных магистрали ЭВМ. По отношению к центральному процессору каждое внешнее устройство представляет собой набор регистров (CSR и DSR), расположенных в контроллере устройства, и собственно обмен сводится к записи информации в эти регистры или считыванию информации из них. В ЭВМ с единой магистралью эти регистры имеют адреса, расположенные 40 в адресном пространстве, и процессор может обращаться к ним так же, как и к ячейкам оперативной памяти В IBM PC совместимом компьютере эти адреса занимают область 100÷1FF, которая отводится для нужд пользователя. Организация любой ЭВМ обеспечивает следующие четыре способа обмена, первые два из которых, иногда называют программно-управляемыми, поскольку обмен происходит полностью под управлением программы: • синхронный, • асинхронный, • по прерыванию, • с использованием канала прямого доступа к памяти (ПДП) или обмен с занятием цикла. Синхронный обмен, являясь самым быстрым, обеспечивает передачу информации за одну машинную команду. Схематическое изображение этого способа дано на рис. 3.1. Передача Рисунок 3.1 – Синхронный обмен. Центральный процессор, выполняя команду, связанную с передачей информации, является инициатором обмена как при вводе, так и при выводе. Внешнее устройство играет пассивную роль, передавая или принимая информацию по командам центрального процессора. Этот способ предполагает близость значений скорости обмена, определяемой программой и быстродействием центрального процессора, и скорости, с которой может производить обмен внешнее устройство. Однако, как правило, эти скорости существенно различаются, а синхронный способ не располагает средствами их синхронизации. 41 Асинхронный обмен позволяет программно синхронизовать обмен между ЭВМ и низкоскоростным внешним устройством. Это достигается проверкой готовности устройства до проведения обмена. Готовность к обмену отображается определенным разрядом регистра состояния и управления CSR этого устройства (флагом готовности) (рис.3.2). Чтение CSR Готов ? Передача Нет Да Рисунок 3.2 – Асинхронный обмен. Для выяснения состояния устройства необходимо прочитать содержимое его CSR и проанализировать соответствующий разряд. Если устройство занято, происходит переход на команду чтения содержимого CSR и программа зацикливается. Отметим, что при такой организации обмен, происходящий при наступлении готовности, осуществляется синхронным способом. Флаг готовности сбрасывается внешним устройством после того, как произошел обмен данными с ЭВМ. Следует отметить, что и в случае асинхронного обмена внешнее устройство играет пассивную роль, предоставляя для чтения или записи регистр данных и принимая или передавая данные для обмена по командам центрального процессора. Оно не может быть инициатором обмена. Другим существенным недостатком этого способа является непроизводительная трата времени, особенно при 42 взаимодействии с низкоскоростными внешними устройствами, поскольку большую часть времени процессор тратит на ожидание готовности их к обмену. Так, для принтера с типичной скоростью печати порядка 100 симв/с только 0,04% машинного времени, отведенного на обмен, тратятся непосредственно на передачу данных, остальные же 99,96 % времени расходуются на ожидание готовности. Обмен по прерыванию лишен отмеченных выше недостатков асинхронного способа и позволяет более эффективно использовать ресурсы ЭВМ. Отличительной чертой обмена по прерыванию в сравнении с программным способом является активность внешнего устройства, которое выступает инициатором обмена, выставляя так называемое требование прерывания. Роль же центрального процессора сводится лишь к тому, чтобы, откликнувшись на требование, его выполнить. Кроме того, процессор программным способом может разрешить или запретить внешнему устройству выставлять требование прерывания. Поскольку обмен по прерыванию помимо программной поддержки использует аппаратные средства, этот способ не является программно-управляемым. Схематически обмен по прерыванию изображен на рис. 3.3. Обслуживание прерывания Рисунок 3.3 – Обмен по прерыванию. Центральный процессор выполняет работу по программе, называемой фоновой, которая может быть не связана с обменом, при этом часть 43 центрального процессора, называемая арбитром, следит за появлением сигнала требования прерывания от внешнего устройства. При поступлении этого сигнала центральный процессор, закончив выполнение текущей команды фоновой программы, организует с помощью арбитра переход на подпрограмму обслуживания прерываний от данного устройства, в которой и происходит обмен одним из программно-управляемых способов. После окончания выполнения подпрограммы обслуживания прерывания осуществляется переход в фоновую программу на то место, с которого она была прервана. В процессе работы ЭВМ под управлением операционной системы постоянно происходит обмен информацией между оперативной и внешней памятью. Потребность в таком обмене связана с ограниченным объемом оперативной памяти. Часть данных и программ, необходимость в которых отпадает, переносится из оперативной памяти во внешнюю и на освободившееся место из внешней памяти загружаются необходимые для дальнейшего использования данные и программы. Этот обмен обычно осуществляется фиксированными блоками информации, содержащими в зависимости от устройства определенное количество байт. Естественным является требование, чтобы эти передачи занимали по возможности минимальное время, поскольку они снижают реальное быстродействие машины. При работе ЭВМ с нестандартной периферией, например в информационно-измерительных комплексах, также часто возникает необходимость в быстром обмене блоками информации между оперативной памятью и внешними устройствами. Блочная передача данных между оперативной памятью и внешним устройством осуществляется по так называемому каналу прямого доступа к памяти (ПДП). Существенной особенностью этого способа является то, что процессор не принимает участие в обмене, хотя сама передача происходит с использованием магистрали ЭВМ. Управление магистралью во время обмена полностью передается внешнему устройству, которое, являясь инициатором обмена, берет на себя все функции процессора по организации работы магистрали. Следует отметить, что захват магистрали может происходить и до окончания 44 выполнения процессором текущей команды. Таким образом, обмен с использованием ПДП обеспечивает максимально возможную скорость; платой за это являются достаточно сложные организация и логика работы соответствующего внешнего устройства. 3.2 Магистраль ISA IBM PC совместимого компьютера Микро-ЭВМ построена по модульному принципу, т.е. все функциональные блоки выполнены в виде модулей, связь между которыми осуществляется через единый канал обмена информацией или магистраль. Магистраль, являясь простой, быстродействующей системой связей, соединяет различные модули: центральный процессор, память и внешние устройства. Организация магистрали позволяет подключать к ней несколько центральных процессоров, создавая тем самым многопроцессорную ЭВМ. При этом используется дополнительная магистраль для решения арбитражных вопросов между процессорами. При построении системы на базе микро-ЭВМ пользователь может подключать к магистрали и свои собственные устройства, разработанные с учетом соответствующих требований и рекомендаций. Связь между любыми модулями, подключенными к магистрали, осуществляется по принципу управляющий - управляемый (активный - пассивный). В любой момент времени могут взаимодействовать только два устройства, одно из которых - активное - организует работу магистрали, другое - пассивное - является исполнителем. Активную роль, как правило, играет процессор, остальные устройства, в том числе и оперативная память, являются пассивными. Исключение составляет обмен с использованием прямого доступа к памяти, когда активным становится устройство, организующее прямой обмен с памятью. Обмен информацией на магистрали поддерживается управляющими сигналами (сигналами квитирования). Обмен может выполняться как словами, так и байтами. В основном используется два типа магистралей. В первом типе линии адреса и данных разделены, во втором типе совмещены. Для организации магистрали по второму типу требуется меньшее число линий, 45 однако платой за уменьшение числа линий является потенциально меньшее быстродействие. В IBM PC-AT используется магистраль первого типа, которая носит название ISA (сокращение от Industry Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Магистраль второго типа PCI используется в компьютерах класса Pentium. Рассмотрим более подробно магистраль ISA. В стандартном PC-AT системная шина состоит из двух частей. Первая часть состоит из 62 выводов, расположенных в слоте расширения в два ряда и пронумерованных как А1 – А31, B1 – B31(основной 8 - разрядный слот). Эта часть полностью совместима с шиной компьютера PC-XT. Вторая часть состоит из 36 выводов (16 - разрядное расширение или дополнительный слот), являющихся продолжением первой части и пронумерованных как C1 – C18, D1 – D18 (рис 3.4). A1 A31 B1 B31 C1 C18 D1 D18 Рисунок 3.4 – Слот расширения шины ISA. Внешние платы, устанавливаемые в разъемы шины, могут быть 8- и/или 16-разрядными. 8-разрядная плата имеет только один интерфейсный разъем и может оперировать только с 8-разрядными данными. 16-разрядная плата обязательно имеет два интерфейсных разъема - один основной, такой же как в 8-разрядных платах, и один дополнительный. Такая плата может оперировать как с 8-, так и с 16-разрядными данными. Общее число устанавливаемых в разъемы шины плат ограничивается как нагрузочной способностью шины, так и конструктивным исполнением материнской платы. Как правило, допускается устанавливать не более 8 внешних плат на шину. Такое ограничение вызвано также и относительно небольшим количеством свободных линий запросов на ПДП и запросов на прерывания, имеющихся на шине. Рассмотрим линии (сигналы) шины ISA, которые используются при работе с внешними устройствами. 46 SA0 ÷ SA19 – Это 20 выводов адресов памяти и устройств ввода – вывода. SD0 ÷ SD15 – Эти 16 выводов образуют двустороннюю шину данных. IOR, IOW – Эти сигналы с активным низким уровнем управляют операциями чтения и записи при работе с внешними устройствами. ALE – Высокий уровень этого сигнала указывает на то, что адрес на системной шине сформирован. Защелкивание адреса на линиях SA0 ÷ SA9 происходит по падающему фронту ALE. CLK – Системный синхросигнал, согласованный с внутренним процессорным синхросигналом. IRQ3 ÷ IRQ7, IRQ9 ÷ IRQ12, IRQ14, IRQ15 – Эти сигналы формируются внешними устройствами для запроса прерывания процессора на их обслуживание. IRQ2 в AT системах используется для запроса на прерывание второго дополнительного контроллера прерываний. В XT системах (например Micro PC) IRQ2 свободно и может использоваться аппаратурой пользователя. IRQ13 используется математическим сопроцессором, IRQ8 – таймер реального времени. DRQ0 ÷ DRQ3, DRQ5 ÷ DRQ7 – Сигналы запросов на прямой доступ к памяти. Выставляются периферийными устройствами при необходимости обмена данными между этими устройствами и памятью. DRQ4 используется материнской платой. DACK0 ÷ DACK3, DACK5 ÷ DACK7 – Эти сигналы формируются для подтверждения запросов на прямой доступ к памяти. -I/O GH RDY – Сигнал готовности канала ввода/вывода. Устанавливается равным 0 (не готов) для того, чтобы удлинить цикл обмена данными с периферийными устройствами или памятью. Любое медленно работающее периферийное устройство может сформировать этот сигнал с целью растянуть цикл шины до приемлемой длительности. Длительность задержки не должна превышать 4 мкс (30 периодов CLK). 47 Как и при доступе к памяти , процессор для связи с портами использует шины данных и адреса. Номер порта – это адрес ячейки памяти , являющейся частью устройства ввода – вывода, а не частью оперативной памяти. При доступе к порту процессор посылает сначала по управляющей шине сигнал ALE, который оповещает все устройства ввода – вывода, что адрес на шине является адресом порта, а затем посылает собственно адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ. При общем числе возможных портов в компьютере PC, равном 1024, для обращения к ним используется 10 разрядный адрес порта – разряды SA0 ÷ SA9. Карта адресов портов УВВ разделена на две части. 512 адресов с 0000H по 01FFH выделены для материнской платы. Адресное пространство с 0200H по 03FFH (т.е. 512 адресов) предоставляется схемным платам, которые вставляются в слоты расширения. Большинство этих адресов закреплено за определенными функциональными платами IBM. Свободными являются адреса 100 ÷ 1FFH и 300 ÷ 31FH. Эти адреса можно использовать в своих собственных платах расширения. 3.3 Циклы ВВОД и ВЫВОД магистрали ISA Выполнение процессором команды требует хотя бы одного обращения к магистрали, поскольку сначала команда должна быть выбрана из ячейки оперативной памяти. При исполнении команды процессору может потребоваться многократное обращение к магистрали, как для выборки операндов из памяти или регистров внешних устройств, так и для занесения в память или в регистр данных внешнего устройства результата выполнения команды. Все операции, связанные с вводом и выводом данных, называются циклами обращения к магистрали. При работе с внешними устройствами выполняются два типа магистральных операций |