5.2. Структуры систем ввода-вывода.
Структура систем ввода-вывода представляет собой совокупность взаимосвязанных внутренних и внешних интерфейсов (шин), посредством которых все устройства (модули) объединены в единую систему, называемую компьютером.
Причем каждая шина имеет определенную скорость передачи информации, и к ней подсоединяются устройства с соответствующим быстродействием. Все шины, как правило, могут работать параллельно, обеспечивая высокую производительность вычислительной системы. Шины соединяются между собой с помощью специальных устройств – мостов.
Кроме того, в структуру систем ввода-вывода входят устройства управления шинами и схемы организации процессов передачи информации при различных режимах ввода-вывода.
В процессе развития вычислительной техники формировалась структура самого компьютера и его систем ввода-вывода, разрабатывались и внедрялись различные типы интерфейсов.
Из поколения в поколение менялась элементная база и архитектура компьютеров. К моменту появления микропроцессоров (МП), больших интегральных схем (БИС) и персональных компьютеров уже сформировались определенные принципы построения и структуры систем ввода-вывода.
В больших компьютерах класса «Мейнфрейм» (IBM-360/370, ЕС ЭВМ), работающих в мультипрограммном режиме и имеющих мощный процессор, большой емкости ОЗУ и много разнообразных ПУ, уже много лет успешно используется многомагистральная структура с выделенными каналами ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ (см. рис. 5.2а). В таких машинах, как правило, используются специализированные каналы ввода-вывода: мультиплексный, работающий с медленными ПУ и селекторный, обслуживающий быстродействующие ПУ. Такая структура позволила максимально использовать вычислительную мощность компьютера за счет одновременного решения нескольких задач и параллельной работы процессора и каналов ввода-вывода.
В таких компьютерах аппаратно реализовывались все функции по управлению потоками данных. В них система ввода-вывода содержит оптимальный набор из нескольких типов интерфейсов. Высокоскоростные интерфейсы процессора и ОЗУ, через которые взаимодействуют основной процессор, специализированные процессоры, блоки оперативной памяти обеспечивают максимально эффективное использование процессорного времени. Интерфейсы ввода-вывода, аппаратно реализованные каналы ввода-вывода и контроллеры ПУ, освобождают центральный процессор от процедур управления вводом-выводом.
Интерфейсы ПУ предназначаются для подключения ПУ к компьютеру. В то же время, система ввода-вывода малых вычислительных машинах типа DEC PDP-11, СM ЭВМ, которые были намного дешевле больших, строилась по одномагистральной структуре с распределенным каналом ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ (см. рис.5.2б). Функции управления вводом-выводом выполнял процессор. В качестве высокоскоростного канала применялся контроллер прямого доступа к памяти. С появлением МП и БИС наступил новый этап развития структур систем ввода-вывода, обусловленный новым принципом построения вычислительных машин на основе модульности, микропрограммируемости и магистральности. Новый этап повторял стадии развития предыдущего, но на качественно новой элементной базе и других подходах к компоновке компьютеров.
.
Рис. 5.2 Структура систем ввода-вывода
С развитием элементной базы компьютеров, повышением скорости работы микропроцессоров и микросхем памяти, увеличением емкости ОЗУ совершенствовалась и изменилась структура системы ввода-вывода информации, повышалась скорость работы интерфейсов. Развитие интерфейсов и систем ввода-вывода было направлено на минимизацию потерь в производительности компьютера, вызванных задержками в передаче информации между его модулями (устройствами), т.е. передач процессор - ОЗУ, процессор - ПУ, ПУ – ОЗУ.