Обмен данными между пу и компьютером как правило является

Реферат: Программа, управляющая контроллером периферийного устройства

При создании вычислительных сетей разработчикам пришлось решать множество самых разных задач, связанных с кодированием и синхронизацией электрических (оптических) сигналов, выбором конфигурации физических и логических связей, разработкой схем адресации устройств, созданием различных способов коммутации, мультиплексированием и демультиплексированием потоков данных, совместным использованием передающей среды.

Начнем с простого случая непосредственного соединения двух устройств физическим каналом, такое соединение называется связью «точка-точка» (point-to-point).

^ Связь компьютера с периферийными устройствами

Частным случаем связи «точка-точка» является соединение компьютера с периферийным устройством (ПУ).

Для обмена данными компьютер и ПУ оснащены внешними интерфейсами или портами (рис. 1).

Рис. 1. Связь компьютера с периферийным устройством

В данном случае к понятию «интерфейс» относятся:

набор проводов, соединяющих устройства;

совокупность правил обмена информацией по этим проводам.

Со стороны компьютера логикой передачи сигналов на внешний интерфейс управляют:

контроллер ПУ — аппаратный блок, часто реализуемый в виде отдельной платы;

драйвер ПУ – программа, управляющая контроллером периферийного устройства.

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления ПУ, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства.

Обмен данными между ПУ и компьютером, как правило, является двунаправленным.

По такому каналу передается следующая информация:

данные, поступающие от контроллера на ПУ;

команды управления, которые контроллер передает на устройство управления ПУ;

данные, возвращаемые устройством управления ПУ.

Все приложения при выполнении операций с ПУ используют ОС как арбитра.

Функции, выполняемые драйвером:

ведение очередей запросов;

подсчет контрольной суммы последовательности байтов;

анализ состояния ПУ;

загрузка очередного байта данных (или команды) в регистр контроллера;

считывание байта данных или байта состояния ПУ из регистра контроллера.

Функции, выполняемые контроллером:

преобразование байта из регистра (порта) в последовательность бит;

передача каждого бита в линию связи;

обрамление байта стартовым и стоповым битами – синхронизация;

формирование бита четности;

установка признака завершения приема/передачи байта.

Связь двух компьютеров

Рис. 2. Взаимодействие двух компьютеров

Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера. Она может только «попросить» об этом другую программу, выполняемую на том компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемых по каналам связи между компьютерами.

Например, по кабелю через COM-порты, реализующие интерфейс RS-232C (нуль-модемное соединение). Связь между компьютерами осуществляется аналогично связи компьютера с ПУ. Только теперь контроллеры и драйверы портов действуют с двух сторон. Вместе они обеспечивают передачу по кабелю между компьютерами одного байта информации (В локальных сетях подобные функции выполняются сетевыми адаптерами и их драйверами).

^ Клиент, редиректор и сервер

Существует большое количество программ, которые самостоятельно решают все задачи по обмену данными между компьютерами. Но гораздо выгоднее создать специальный программный модуль, который будет выполнять формирование сообщений-запросов к удаленной машине и прием результатов для всех приложений. Такой служебный модуль называется клиентом.

На стороне другой машины должна работать другая спец. программа — сервер, постоянно ожидающий запросов на удаленный доступ к ресурсам этой ЭВМ.

Очень удобной и полезной функцией клиентской программы является способность отличить запрос к удаленному файлу от запроса к локальному файлу. Клиентская программа способная распознавать и перенаправлять (redirect) запрос к удаленной машине называется редиректор.

Иногда функции распознавания выделяются в особый программный модуль, в этом случае редиректором называют не всю клиентскую часть, а только этот модуль.

Программные клиент и сервер выполняют системные функции по обслуживанию запросов всех приложений компьютера А на удаленный доступ к файлам компьютера В. Чтобы приложения компьютера В могли пользоваться файлами компьютера А, описанную схему нужно симметрично дополнить клиентом для компьютера В и сервером для компьютера А.

Рис. 3. Схема взаимодействия программных компонентов при связи двух компьютеров

Для того, чтобы компьютер мог работать в сети, его ОС должна быть дополнена клиентским и/или серверным модулем, а также средствами передачи данных между компьютерами. В результате такого добавления ОС компьютера становится сетевой ОС.

^ Задача физической передачи данных по линиям связи

Даже при рассмотрении простейшей сети с соединением «точка-точка» возникает ряд проблем, присущих любой вычислительной сети, и на первый план выходит задача физической передачи данных по линиям связи.

Эта задача среди прочего включает:

кодирование и модуляцию данных;

взаимную синхронизацию передатчика одного компьютера с приемником другого;

подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов.

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код.

Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю — другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

Аналогичные подходы могут использоваться для кодирования данных и при их передаче по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются от тех, которые существуют внутри компьютера.

Главное отличие внешних линий связи в их большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса и подвержены воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к существенно большим искажениям импульсов, чем внутри компьютера. Поэтому при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования.

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который не используется внутри ЭВМ, — модуляцию.

При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные линии.

На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами (параллельная передача всех бит одного байта или последовательная, побитовая передача, требующая всего одной пары проводов).

При передаче сигналов приходится еще решать проблему взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и посредством периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличной от формы импульсов данных.

Всегда существует вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных и поэтому для более надежной передачи данных часто используется стандартный прием — подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов.

Часто в протокол обмена данными включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, которая подтверждает правильность приема данных и посылается от получателя отправителю.

Некоторые сетевые устройства, такие как модемы и сетевые адаптеры, специализируются на физической передаче данных.

Модемы выполняют в глобальных сетях модуляцию и демодуляцию дискретных сигналов, синхронизируют передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяют правильность передачи по контрольной сумме и могут выполнять некоторые другие операции.

Сетевые адаптеры рассчитаны на работу с определенной передающей средой — коаксиальным кабелем, витой парой, оптоволокном и т.п.

Каждый тип передающей среды обладает определенными электрическими характеристиками, влияющими на способ использования данной среды, и определяет скорость передачи сигналов, способ их кодирования и некоторые другие параметры.

Принципы организации обмена с внешними устройствами компьютера (программно-управляемый ввод/вывод и DMA).

Внешние устройства подключаются к системному интерфейсу через специальные устройства — контроллеры (адаптеры). Каждый контроллер имеет в своем составе ряд программно-доступных регистров (как минимум имеет хотя бы регистр данных, регистр состояния и регистр управления).

Каждый контроллер имеет свой набор команд. Получив, через свои регистры, команду от выполняющего программу ввода-вывода процессора, контроллер отрабатывает команду автономно, управляя внешним устройством через «малый» интерфейс между устройством и контроллером. Контроллер, отрабатывая принятую от процессора команду, пересылает во внешнее устройство свои команды, данные, и читает из устройства состояния. Кроме того, контроллер может выполнять ряд вспомогательных аппаратных функций, инициируемых аппаратными сигналами, или записью управляющей информации в его программно-доступный регистр (например, «сброс» по сигналу RESET, или включение процесса самодиагностики жесткого диска). Существуют простые контроллеры и более сложные (интеллектуальные) контроллеры, выполняющие более сложные аппаратные функции и команды.

Процессор управляет внешним устройством, выполняя соответствующую программу ввода/вывода, где он с помощью команд IN, OUT (чтение порта, запись в порт) осуществляет доступ к программно-доступным регистрам контроллера. Например, в регистр управления процессор записывает команду, из регистра состояния читает информацию о состоянии устройства и контроллера, в регистр данных записывает выводимые на устройство данные, или читает из регистра данных считываемую с устройства информацию.

Возможны два способа организации программного обмена с внешними устройствами:

1) Обмен с опросом готовности устройства.

Выполняя программу ввода-вывода, процессор, запустив в контроллере операцию, циклически читает регистр состояния контроллера, ожидая появления в соответствующем разряде регистра состояния признака готовности к обмену данными с процессором. При появлении этого признака в регистре состояния, процессор осуществляет обмен через регистр данных, с помощью команды OUT, осуществляет запись в регистр данных (при выводе на устройство), или выполняет чтение информации из регистра данных контроллера с помощью команды IN (при вводе с устройства). После чего запускает в контроллере следующую операцию и т. д.;

2) Обмен по запросам на обслуживание устройства (запросам на маскируемое прерывание).

При выполнении программы ввода-вывода, процессор, запустив на контроллере операцию продолжает выполнять другую полезную программу. Контроллер внешнего устройства, в случае полной готовности к обмену данными с процессором, выдает на соответствующую линию IRQ сигнал запроса на обслуживание (запрос на маскируемое прерывание). Процессор, через выполнение процедуры прерывания по сигналу IRQ, переходит на выполнение программы ввода/вывода для данного устройства. Эта программа осуществляет обмен данными через регистр данных контроллера и запускает в контроллере следующую операцию. Процессор возвращается к выполнению прерванной программы через выполнение команды IRET (возврат из прерывания), которой заканчивается программа ввода/вывода) и т. д.

Любой контроллер, получив от процессора (по командам OUT), через свои программно-доступные регистры команду, отрабатывает команду автономно, управляя внешним устройством через «малый» интерфейс между устройством и контроллером. Контроллер, отрабатывая принятую от процессора команду, пересылает во внешнее устройство команды, данные, и читает из устройства информацию о его состоянии и данные. Кроме того, контроллер может выполнять ряд вспомогательных аппаратных функций инициируемых аппаратными сигналами или записью управляющей информации в его программно-доступный регистр.

Как было сказано выше, возможны два способа организации программного обмена с внешними устройствами: «обмен с опросом готовности устройства» и обмен «по запросам на обслуживание устройства» (запросам на маскируемое прерывание). Различие этих способов программного обмена в способе определения готовности устройства к обмену данными.

Например, при обмене «с опросом готовности устройства» с матричным принтером, выполняя программу ввода-вывода, процессор, запустив в контроллере матричного принтера операцию вывода, циклически читает регистр состояния контроллера и ожидает появления (в соответствующем разряде регистра состояния) признака готовности к обмену данными с процессором. При появлении этого признака в регистре состояния, процессор, с помощью команды OUT, осуществляет запись в регистр данных контроллера принтера очередного байта информации для вывода на принтер, и запускает в контроллере принтера, записью команды в регистр управления, следующую операцию вывода и т. д.

При обмене с принтером «по запросам на обслуживание от устройства» (запросам на маскируемое прерывание), процессор, выполняя программу вывода, запустив в контроллере принтера операцию, не ожидает готовности контролера к обмену данными. Он продолжает выполнять полезную программу. Контроллер принтера, в случае полной готовности к обмену данными с процессором, выдает на соответствующую линию IRQ (например, для принтера — IRQ7) сигнал запроса на обслуживание, который поступает на вход контроллера прерываний (который находится в микросхеме «южного моста»). Контроллер прерываний выдает на вход INTR процессора активный сигнал, а процессор, через выполнение процедуры прерывания по сигналу INTR (в ее выполнении участвуют контроллер прерываний и контроллер шины), переходит на выполнение программы вывода для данного устройства. Эта программа осуществляет запись данных в регистр данных контроллера и запись команды в регистр управления, т. е. запускает в контроллере следующую операцию вывода. Процессор в конце программы обслуживания устройства выбирает и выполняет команду IRET (возврат из прерывания, которой заканчивается программа ввода/вывода), и возвращается к выполнению прерванной ранее программы и т. д.

3) Прямой доступ (DMA — DirectMemoryAccess — прямой доступ к памяти).

Прямой доступ (DMA)- это способ обмена между внешним устройством и динамической памятью, при котором управление операциями обмена по интерфейсу между регистром данных устройства и последовательно расположенными ячейками памяти, осуществляет контроллер прямого доступа к памяти, а микропроцессор в это время находится в отключенном от интерфейса состоянии. Прямой доступ может осуществляться двумя способами: обычным DMA и Busmastering DMA. Существуют несколько разновидностей обмена по прямому доступу. Single word DMA – одиночный режим (в каждом цикле обмена словом, сигнал запроса на обмен сбрасывается сигналом, подтверждающим каждый цикл обмена). Multiword DMA – множественный режим (на сигнал запроса на обмен от устройства выполняется поток циклов обмена сопровождаемых сигналами подтверждения; устройство может из-за неготовности приостановить обмен, сняв свой сигнал запроса, и продолжить обмен, вновь установив запрос). Режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пересылки данных между внешними устройствами и памятью, отдав эту работу контроллеру DMA, процессор в это время может обрабатывать другие данные или другую задачу в многозадачной системе.

4) BIOS, UEFI-BIOS. Важным компонентом системы ввода-вывода компьютеров является BIOS – это Basic Input/Output System — базовая система ввода/вывода, «зашитая» в ПЗУ (отсюда и название ROM BIOS). BOIS представляет собой набор программ которые реализуют функции управления внешними устройствами на физическом уровне (программно-управляемый ввод/вывод и DMA), функции проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, и выполняет роль посредника между операционной системой и аппаратурой.

BIOS – практически уже достаточно давно начинает уступать место платформе UEFI (Unified Extensible Firmware Interface), представляющей собой новый тип интерфейса между, оборудованием и операционной системой (OS) компьютера. BIOS, созданная четверть века назад, давно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным ПК. Все новые компьютеры используют систему UEFI (но в системе UEFI есть блок совместимости с BIOS, поэтому те программы, которым для работы нужен был BIOS, спокойно могут работать и на компьютерах с UEFI). Этот тип интерфейса между оборудованием и ОС, изначально носивший имя EFI, уже в середине девяностых годов создавался корпорацией Intel для платформы Itanium. Сейчас разработку EFI курирует организация Unified EFI Forum (UEFI).

Перевод компьютеров на интерфейс UEFI позволил значительно сократить время загрузки ПК. Если при использовании BIOS с момента включения питания до появления экрана приветствия ОС проходит в среднем полминуты, то с внедрением UEFI этот показатель сократится до нескольких секунд. UEFI обеспечит поддержку альтернативных средств ввода данных, таких как виртуальные клавиатуры и сенсорные дисплеи. Администраторы получат в своё распоряжение расширенные инструменты удалённого управления и средства диагностики, а пользователи — возможность запускать приложения вроде браузера и медиаплеера, не загружая ОС.

Клиент, редиректор и сервер

Можно представить, что любая программа, которой потребуется печать на «чужом» принтере, должна включать в себя функции, подобные тем, которые выполняет приложение А. Но нагружать этими стандартными действиями каждое приложение — текстовые и графические редакторы, системы управления базами данных и другие приложения — не очень рационально (хотя существует большое количество программ, которые действительно самостоятельно решают все задачи по обмену данными между компьютерами, например Kermit — программа обмена файлами через COM- порты , реализованная для различных ОС, Norton Commander 3.0 с его функцией Link). Гораздо выгоднее создать специальный программный модуль, который (вместо приложения А) будет выполнять формирование сообщений-запросов к удаленной машине и прием результатов для всех приложений. Такой служебный модуль называется клиентом .

На стороне же компьютера В (на месте приложения В) должна работать другая специализированная программа — сервер , постоянно ожидающий прихода запросов на удаленный доступ к принтеру (или файлам, расположенным на диске) этого компьютера. Сервер, приняв запрос из сети, обращается к локальному ПУ, возможно, с участием локальной ОС.

Очень удобной и полезной функцией клиентской программы является способность отличить запрос к удаленному файлу от запроса к локальному файлу. Если клиентская программа умеет это делать, она сама распознает и перенаправляет (redirect) запрос к удаленной машине. Отсюда и название, часто используемое для клиентской части — редиректор . Иногда функции распознавания выделяются в особый программный модуль, в этом случае редиректором называют не всю клиентскую часть, а только этот модуль.

Рис. 3.3. Взаимодействие программных компонентов при связи двух компьютеров.

Для того, чтобы компьютер мог работать в сети, его операционная система должна быть дополнена клиентским и/или серверным модулем, а также средствами передачи данных между компьютерами. В результате такого добавления операционная система компьютера становится сетевой ОС .