Архитектура организации управления внешними устройствами

Как[R36] отмечалось ранее, при организации взаимодействия работы процессора и внешних устройств различают два потока информации: поток управляющей информации (т.е. поток команд какому-либо устройству управления) и поток данных (поток информации, участвующей в обмене обычно между ОЗУ и внешним устройствами). Рассматривая историю вопроса, необходимо отметить, что управление внешними устройствами претерпело достаточно большие изменения.

Первой исторической моделью стало непосредственное управление центральным процессором внешними устройствами (Рис. 134.А), когда процессор на уровне микрокоманд полностью обеспечивал все действия по управлению внешними устройствами. Иными словами, поток управления полностью шел через ЦПУ, а наравне с ним через процессор шел и поток данных. Эта модель иллюстрирует синхронное управление: если начался обмен, то, пока он не закончится, процессор не продолжает вычисления (поскольку занят обменом).

Рис. 134. Модели управления внешними устройствами: непосредственное (А), синхронное/асинхронное (Б), с использованием контроллера прямого доступа или процессора (канала) ввода-вывода.

Вторая модель, появившаяся с развитием вычислительной техники, связана с появлением специализированных контроллеров устройств, которые концептуально располагались между центральным процессором и соответствующими внешними устройствами (Рис. 134.Б). Контроллеры позволяли процессору работать с более высокоуровневыми операциями при управлении внешними устройствами. Таким образом, процессор частично освобождался от потока управления внешними устройствами за счет того, что вместо большого числа микрокоманд конкретного устройства он оперировал меньшим количеством более высокоуровневых операций. Но и эта модель оставалась синхронной.

Следующим этапом стало развитие предыдущей модели до асинхронной модели, осуществление которой стало возможным благодаря появлению аппарата прерываний. Данная модель позволяла запустить обмен для одного процесса, после этого поставить на счет другую задачу (или же текущий процесс может продолжить выполнять свои какие-то вычисления), а по окончании обмена, успешного или неуспешного, в системе возникнет прерывание, сигнализирующее возможность дальнейшего выполнения первого процесса. Но и эти две модели предполагали, что поток данных идет через процессор.

Кардинальным решением проблемы перемещения обработки потока данных из процессора стало использование появившихся контроллеров прямого доступа к памяти (или DMA-контроллеров, Direct Memory Access, Рис. 134.В). Процессор генерировал последовательность управляющих команд, указывая координаты в оперативной памяти, куда надо положить или откуда взять данные, а DMA-контроллер занимался перемещением данных между ОЗУ и внешним устройством. Таким образом, поток данных шел в обход процессора.

И, наконец, можно отметить последнюю модель, основанную на том, что управление внешними устройствами осуществляется с использованием специализированным процессором (или даже специализированных компьютеров) или каналов ввода-вывода. Данная модель подразумевает снижение нагрузки на центральный процессор с точки зрения обработки потока управления: ЦПУ теперь оперирует макрокомандами, являющимися функционально-емкими. Решение задачи осуществления непосредственного обмена, а также решение всех связанных с обменом вопросов (в т.ч. оптимизация операций обмена, например, за счет использования аппаратной буферизации в процессоре ввода-вывода) ложится «на плечи» специализированного процессора.