Эволюция и роль систем ввода-вывода

Введение

Супермощные компьютеры уже давно являются стимуляторами новых идей архитектурного построения компьютеров самого различного назначения, от персональных компьютеров до больших серверов с набором процессоров. Такая же примерно картина наблюдается и в области операционных систем и различного программного обеспечения. Можно заметить, что перспективные архитектурные построения систем ввода и вывода данных серверов новых поколений (например, Future I/O и Next Generation I/O), применяют идеологию, которая напоминает системы ввода и вывода старых больших ЭВМ компании IBM.

Для коммерческих приложений, в частности систем управления базами данных и информационных хранилищ, компонентом, который ограничивает их быстродействие, наиболее часто выступает система ввода и вывода данных. Она считается базовым элементом, который обеспечивает ведущие роли мейнфреймов (больших универсальных высокопроизводительных отказоустойчивых серверов, имеющих мощные ресурсы ввода и вывода) в этом типе программ.

Эволюция систем ввода-вывода

Самым наглядным и полным примером, на котором видны все проблемы и направления развития структур ввода и вывода, является эволюционная история структурной организации устройств ввода и вывода данных персональных компьютеров компании IBM. На заре появления персональных компьютеров тактовая частота функционирования процессора равнялась десяти мегагерцам, причём на осуществление даже несложных процедур процессор тратил целый тактовый набор. При таких параметрах для создания условий бесперебойных действий процессора хватало четырёх миллионов запросов ячеек памяти в секунду, что означает цикл действий в 250 нс. Для таких условий вполне хватало структурной организации ввода и вывода с одной шиной. То есть все модули компьютера, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) в том числе, обменивались данными с процессором по единой общей шине, называемой системной. Такая структура изображена на рисунке ниже:

Рисунок 1. Структура организации ввода-вывода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Весь набор интерфейсов периферийных устройств подсоединялся к данной шине. Самой известной системной шиной того периода была восьмиразрядная шина, которая затем выросла в шестнадцатиразрядную шину ISA, которая работала при частоте восемь мегагерц.

В дальнейшем частота работы процессора персонального компьютера постоянно росла и менялось время обращения к ОЗУ. При этих условиях медленная работа общей шины стала тормозом действий процессора. Проблема была решена выделением отдельной шины для связи процессора с оперативной памятью. Эта шина была построена на основе внешнего интерфейса микропроцессора, и она была изолирована от не быстрой общей шины ISA, использованием отдельного контроллера шины данных. Это позволило увеличить быстродействие центрального процессора. Но все периферийные модули по-прежнему обменивались данными с центральным процессором через системную шину. Эта структура приведена на рисунке ниже:

Рисунок 2. Структура организации ввода-вывода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Но частота работы микропроцессора неуклонно продолжала расти и теперь уже тормозить его работу стало ОЗУ. Для решения проблемы была введена добавочная кэш память с высоким быстродействием, что сократило время обращения к ней микропроцессора. Затем настало время повсеместного внедрения устройств мультимедиа и тут же образовалась новая проблема, скорость обмена процессора с видеокартой. Существующие шины ISA, ЕISA были не в состоянии решить эту проблему.

Проблема была решена созданием и включением в состав компьютеров локальных шин с высоким быстродействием, с помощью которых стало возможным установить связь с модулями памяти, и к этой же шине подключались жёсткие диски, что безусловно повысило качественные показатели отображения графики. Первой шиной этого класса стала VL-bus, которая по сути повторяла интерфейс микропроцессора i486. Позже была изобретён тип локальной шины PCI, которая являлась независимой от процессора и по этой причине стала самой популярной для следующих видов микропроцессоров. Данная шина уже работала на частоте 33Мгц и была тридцати двух разрядной. Это позволило достичь пропускной способности шины 132 Мбайт/сек. Но системная шина ISA всё ещё применялась в персональных компьютерах и это давало возможность использовать в новых машинах все, сделанные ранее, наработки в области оборудования и программ. Структура такой организации приведена на рисунке ниже:

Рисунок 3. Структура организации ввода-вывода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В этой организации систем ввода и вывода разные периферийные устройства подсоединялись к различным шинам. Медленно работающая периферия работала через ISA, а быстродействующая периферия задействовалась через PCI. Шина РСI сделала возможным и выгодным применение высокоскоростных параллельных и последовательных интерфейсов периферийного оборудования (SCSI, ATA, USB). Тогда же немного сместились акценты и системной шиной стала считаться шина обмена данными микропроцессора и оперативной памяти. Шины РСI и ISA, а также им подобные, стали называть шинами ввода и вывода или иначе это шины расширения. И в самом деле, такие шины выполняли расширение количество модулей, которые работают с центральным процессором, и их главным предназначением стали процессы обмена информацией с периферийными модулями.

Но разработка шины PCI не решило все проблемы вывода видео информации для трёх мерной графики и видеороликов, так как для этого уже было необходимо быстродействие в сотни мегабайт в секунду. В середине девяностых годов прошлого века компания Intel спроектировала новый тип шины, а именно AGP, которая предназначалась конкретно для обеспечения взаимодействия процессора и оперативной памяти с видеокартой дисплея. Данная шина позволила увеличить быстродействие до сотен мегабайт в секунду. Она обеспечивала прямую взаимосвязь видеокарты с оперативной памятью без шины PCI. То есть произошёл возврат к структуре компьютера с несколькими магистралями.