Интерфейсы ввода-вывода. Контроллеры внешних устройств. Уровни стандартизации, сопряжения с системной шиной, циклы обмена. Регистры контроллера.
Интерфейс ввода-вывода — это совокупность аппаратных и логических правил, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ с внешними устройствами (ВУ). Он определяет способы передачи данных, сигналы управления, формат данных, временные параметры и физическую реализацию соединения.
Уровни стандартизации интерфейсов
Выделяют три уровня:
- Логический уровень — правила обмена (команды, режимы работы, последовательность операций)
- Электрический уровень — параметры сигналов (напряжение, ток, синхронизация)
- Физический уровень — разъёмы, кабели, конструкция подключения
Контроллер внешнего устройства (КВУ)
КВУ — это аппаратный посредник между системной шиной ЭВМ и внешним устройством.
Причины использования контроллера:
- различие форматов данных ВУ и ЭВМ
- различие скоростей работы
- необходимость преобразования сигналов
Типы контроллеров:
- параллельные (например, ИРПР)
- последовательные (например, ИРПС)
- аналого-цифровые и цифро-аналоговые
- программируемые (настраиваются через регистры управления)
Сопряжение с системной шиной (аппаратная топология)
- Процессор -> КВУ: Происходит на материнской плате. Процессор подключается к КВУ через системную шину (адрес, данные, управление), считывая и записывая биты в регистры контроллера (
SR,DR,CR). - Контроллеры -> ВУ: Происходит на границе компьютера. КВУ общается с физическим прибором через специализированный кабель/разъем (интерфейс ВУ). КВУ переводит цифровые байты из своего регистра
DRв физические сигналы, понятные конкретному устройству.
Циклы обмена (логика управления)
Ввод
- Процессор выставляет адрес ВУ
- Активируется сигнал «чтение»
- Контроллер получает данные от ВУ
- Данные помещаются в регистр данных
- Процессор считывает данные с шины
Вывод
- Процессор выставляет адрес ВУ
- Помещает данные на шину
- Активируется сигнал «запись»
- Контроллер передаёт данные в ВУ
- Формируется сигнал готовности
Способы организации обмена:
- Программно-управляемый обмен
- процессор сам выполняет все операции
- возможен polling или прерывания
- Прерывания
- ВУ само сигнализирует о готовности
- процессор переключается на обработчик
- ПДП (DMA)
- обмен напрямую между ВУ и ОЗУ
- процессор не участвует в передаче
Так же для взаимодействие с ВУ существует понятие драйвер. Если контроллер (КВУ) — это аппаратный посредник, то драйвер — это программный посредник. (это специальная низкоуровневая программа операционной системы, которая «знает» точные адреса регистров конкретного КВУ и распределение бит внутри них.)
Регистры контроллера
Контроллер содержит регистры:
- DR (Data Register I/O) — данные
- SR (Status Register) — состояние устройства
- CR (Control Register) — управление режимами работы
Регистр состояния отражает готовность ВУ, ошибки и статус обмена. Регистр управления задаёт режим работы контроллера (ввод/вывод, прерывания, синхронизация и т.д.).