Системы ввода-вывода информации — это системы, обеспечивающие взаимосвязь персонального компьютера с внешним миром, т. е. с пользователями и иными компьютерами.
Введение
На заре компьютерной эпохи рабочая частота процессора равнялась примерно десяти МГц, причём на исполнение даже самых простых процедур процессор тратил более одного такта. В такой ситуации, чтобы обеспечить бесперебойную работу процессора хватало всего примерно четырёх миллионов обращений к устройствам памяти в секунду, что могло соответствовать рабочему циклу в двести пятьдесят Нсек. Таким условиям могла соответствовать одношинная организация системы ввода-вывода, при которой все компьютерные модули, и в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), обменивались информацией с процессором посредством общей шины, именуемой системной. Весь набор периферийных устройств подключался к данной шине. Самой используемой системной шиной в то время была вначале восьмиразрядная, а потом шестнадцати разрядная шина ISA, которая работала на частоте восемь МГц.
Эволюция и роль систем ввода-вывода информации
С возрастанием рабочей частоты персональных компьютеров и изменением времени доступа к ОЗУ, быстродействие шины ISA стало недостаточным, и шина тормозила функционирование процессора. Решением этой проблемы стало выделение отдельной шины для информационного обмена процессорного модуля и оперативной памяти, которая была организована на основе внешнего интерфейса микропроцессора и была изолирована от не быстрой шины ISA при помощи контроллера шины данных. Это привело к росту производительности процессорного модуля, но все периферийные устройства по-прежнему взаимодействовали с процессорным модулем при помощи системной шины.
Дальнейшее возрастание рабочей частоты микропроцессора привело к тому, что тормозить работу компьютера стало уже ОЗУ. Решением этой проблемы стал ввод добавочной высокоскоростной кэш-памяти, что позволило сократить простои процессорного модуля.
На некоторой ступени развития компьютерного оборудования начали повсеместно применять мультимедиа. Одновременно было выявлено узкое место в информационном обмене процессорного модуля с видеокартой. Существовавшие к тому моменту шины ISA, ЕISA уже могли удовлетворить повышенные требования. Выходом оказалась разработка и внедрение высокоскоростных локальных шин, при помощи которых стала осуществляться связь с памятью. Причём на этой же стали работать и жёсткие диски, что тоже способствовало повышению качества вывода графических информационных данных.
Одной из первых таких шин стала шина VL-bus, которая фактически повторяла интерфейс микропроцессора i486. Позднее была разработана шина РСI, которая являлась независимой от процессора и по этой причине стала наиболее распространённой для новых типов микропроцессоров. Данная шина обладала тридцатидвухразрядной шиной данных и рабочей частотой в тридцать три МГц, что позволяло обеспечить пропускную способность в 132 Мбайт/сек. Структурная организация такого компьютера показана на рисунке ниже:
Рисунок 1. Структурная организация компьютера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Системная шина ISA всё ещё применялась в персональных компьютерах, и это позволило использовать в новых компьютерных разработках значительное число спроектированных раньше программных и аппаратных средств. В подобных системах ввода-вывода разные периферийные устройства подсоединялись к различным шинам. Устройства с низким быстродействием подключались к шине ISA, а устройства с высоким быстродействием подключались к шине РСI. С разработкой шины PCI появилась целесообразность применения высокоскоростных параллельных и последовательных интерфейсов периферийных устройств, а именно, SCSI, ATA, USB.
На данном этапе системной шиной начали именовать микропроцессорную шину, при помощи которой процессорный модуль мог взаимодействовать с ОЗУ. Шины РСI и ISA, а также аналогичные им другие, стали называть шинами ввода-вывода или иначе шинами расширения. И в самом деле данные шины помогали расширить количество модулей, которые работают с центральным процессором, а их главной задачей стала работа по обеспечению процессов информационного ввода и вывода.
Разработка шины РСI не решила всех проблем по обеспечению качественного вывода графических и визуальных данных для трёхмерных изображений, то есть, «живого» видео. Тут уже потребовались более высокие скорости информационного обмена. В середине девяностых годов прошлого века корпорация Intel спроектировала новый тип шины AGP, которая была предназначена исключительно для обеспечения взаимосвязи ОЗУ и процессорного модуля с видеокартой дисплея. Даная шина могла обеспечить пропускную способность, измеряемую сотнями Мбайт/сек. Эта шина напрямую соединяет видеокарту с оперативной памятью без участия шины РСI.
То есть получилось так, что по прошествии многих лет разработчики компьютерных систем опять вернулись к структуре с многими магистралями ввода и вывода информации при радиально-магистральных интерфейсах периферийных устройств. Весь набор шин систем ввода вывода данных соединяются в общую транспортную среду информационного обмена при помощи специальных модулей, именуемых мостами. Мост является устройством, используемым с целью объединить шины, пользующиеся различными или едиными протоколами информационного обмена. Мост является сложным устройством, осуществляющим помимо коммутации каналов информационной передачи, ещё и управление определёнными шинами.
Чтобы обеспечить исполнение функций интерфейсов, которые входят в систему ввода-вывода, используются специализированные схемы и контроллеры. К их числу относятся контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, а также ряд других устройств, в том числе логических. В настоящее время управление потоками передаваемых данных производится с помощью мостов и контроллеров, входящих в ChipSet.
