Ввод и вывод информации

Содержание:

Введение……………………………………………………………….................................3

1. Принципы организации ввода-вывода……………………………….5

2. Каналы ввода-вывода………………………………………………………………7

3. Интерфейсы ввода-вывода……………………………………………………10

4. Типы и характеристики стандартных шин ввода-вывод……………………………………………………………………………………………….13

5. Практическая часть………………..……………………………………………….16

6. Заключение……………………………….………………………………………….……….22

7. Список литературы…………………….…………………………………………...23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одной из главных функций операционной системы  является управление всеми  устройствами ввода-вывода компьютера. Операционная система должна передавать устройствам команды, перехватывать  прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс  между устройствами и остальной  частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для  всех типов устройств (независимость  от устройств).

При организации  ввода-вывода должны быть решены следующие  проблемы:

- Должна быть обеспечена  возможность реализации машины  с переменной конфигурацией (то  есть с переменным составом  оборудования). В первую очередь,  пользователь должен иметь возможность  легко дополнять машину новыми  устройствами, изменять состав периферийных  устройств в соответствии с  назначением электронно-вычислительных  машин (ЭВМ).

- Должна реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода/вывода.

- Для пользователя должно  быть упрощено и стандартизировано  программирование операций ввода-вывода, обеспечена независимость программирования  ввода/вывода от особенностей  того или иного периферийного  устройства.

- Должны быть обеспечены  автоматическое распознавание различных  ситуаций, возникающих в периферийных  устройствах, и реакция ядра ЭВМ на эти ситуации (будь то готовность устройства, различные нарушения его работы или отсутствие носителей).

Наиболее актуально решение  этих проблем для ЭВМ является применение большего количества разнообразных  устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принципы организации ввода-вывода

Передача информации с  периферийного устройства (ПУ) в ядро ЭВМ называется операцией ввода¹, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода².

Эффективность использования  вычислительных возможностей ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но также составом ее периферийных устройств, их техническими характеристиками и способами организации их совместной работы с ядром (процессор и основная память) компьютера.

Виды  устройств:

- Модульность. Средства  современной вычислительной техники  проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа. Он  заключается в том, что отдельные  устройства выполняются в виде  конструктивно законченных модулей  (агрегатов), которые могут сравнительно  просто в нужных количествах  и номенклатуре объединяться, образуя  ЭВМ.

- Унифицированные (не  зависящие от типа периферийных  устройств) форматы данных, которыми  периферийные устройства обмениваются  с ядром ЭВМ, в том числе  и унифицированный формат сообщения,  которое периферийное устройство  посылает в ядро о своем  состоянии. Преобразование в индивидуальные  форматы данных осуществляют  контроллеры и адаптеры.

- Унифицированный интерфейс,  т.е. унифицированный по составу  и назначению набор линий и  шин, унифицированные схемы подключения,  сигналы и алгоритмы (протоколы)  управления обменом информацией  между ПУ и ядром ЭВМ.

-Унифицированные (не зависящие  от типа ПУ) формат и выбор  команд процессора для операций  ввода-вывода. Операция ввода-вывода  с любым ПУ представляет для  процессора просто операцию передачи  данных независимо от особенностей  принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т.п..

Многие функции управления операциями ввода-вывода (как например управление прямым доступом к памяти) являются общими, они не зависят  от типа ПУ. Другие являются специфичными для данного типа устройств. Выполнение общих функций возлагают на общие  для групп ПУ унифицированные  устройства - контроллеры прямого  доступа к памяти, процессоры (каналы) ввода-вывода, а специфических - на специализированные для данного типа ПУ электронные блоки управления (адаптеры).

Использование множества  периферийных устройств ПУ с относительно небольшим быстродействием приводит к тому, что основное время работы процессора занято обработкой операций ввода-вывода и ожиданием готовности внешних устройств к обмену. Это  существенно снижает быстродействие ЭВМ. Эффективность работы ЭВМ можно  повысить путем разделения функций  управления центральным процессором  и периферийными устройствами.

 

2. Каналы ввода-вывода

Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными  устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства - каналы ввода-вывода³ (КВВ), задачей которых является обеспечение взаимодействия центрального процессора и ПУ.

Характерная особенность  КВВ заключается в том, что  канал работает по хранимой в памяти программе, т. е. так же, как процессор. Следовательно, КВВ, по существу, является специализированным процессором ввода-вывода. В результате центральный процессор  полностью освобождается от обслуживания операций обмена периферийных устройств  с памятью. КВВ взаимодействует  с ПУ через стандартные устройства сопряжения - интерфейсы и устройства управления периферийными устройствами - контроллеры. В структуре ЭВМ, используются интерфейсы четырех типов:

- оперативной памяти (через интерфейс осуществляется обмен информацией между ОП, процессором и каналами);

- «процессор-канал» (на рис. 1 не показан), необходимый для обмена управляющими сигналами между ними;

- ввода-вывода (через интерфейс контроллеры ПУ подключаются к каналу);

- устройств (с помощью интерфейса ПУ подключаются к контроллеру).

КВВ включает в свой состав запоминающие устройства (регистры) и  логические схемы, которые выполняют  упаковку, распаковку и подсчет данных, модификацию адреса данных и передачу информации из оперативной памяти в  периферийные устройства и в обратном направлении. Канал работает под  управлением канальной программы, которая хранится в специально отведенной области основной памяти ЭВМ.

Основные  функции канала:

- прием команд управления работой канала из центрального процессора;

- адресация внешнего устройства, указанного в принятой команде;

- выполнение действий, заданных в командах;

- установка управляющих сигналов на шинах интерфейса ввода-вывода;

- прием управляющих сигналов, поступающих от ПУ по шинам интерфейса;

- непосредственная передача информации между оперативной памятью и ПУ;

- контроль передаваемой информации на четность;

- подсчет количества передаваемых байт информации;

- прием и анализ информации о состоянии периферийных устройств;

- формирование запросов в центральный процессор на прерывание;

- управление последовательностью прерываний от ПУ и выполнение прерывания.

Таким образом, КВВ реализует  функции управления обменом информации, общие для всех ПУ, контроллер выполняет  управление обменом для группы ПУ одного типа, а интерфейс осуществляет электрическую связь между каналом  и контроллерами, подключенными  к этому каналу, и подготавливает сигналы ввода и вывода таким  образом, чтобы любое ПУ могло  подключиться к каналу.

Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью  интерфейсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Интерфейсы ввода-вывода

Интерфейс⁴ - это совокупность линий и шин сигналов, электрических схем, а также алгоритмов (протоколов), осуществляющих обмен информацией между устройствами ЭВМ. Он унифицирует состав и назначение линий связи, определяет последовательность сигналов при выполнении операций, временные соотношения и переходные процессы в линиях.

Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, называют шинами интерфейса. Совокупность всех линий образует магистраль интерфейса.

Надежность и производительность ЭВМ во многом зависят от характеристик  интерфейсов.

Объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) ЭВМ в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированным сопряжением  между всеми уровнями -- стандартным  интерфейсом. Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые  приняты и рекомендованы в  качестве обязательных отраслевыми  или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными  фирмами.

Интерфейсы  характеризуются следующими параметрами:

- пропускной способностью интерфейса - количеством информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

- максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

- информационной шириной интерфейса - числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;

- максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

- динамическими параметрами интерфейса - временем передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

- общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

Радиальный интерфейс  позволяет всем модулям работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип  разделения времени для связи  между центральным модулем и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена. Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по много проводной линии. Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную  линию синхронизации. При асинхронном  интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью  управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных.

Машинные (внутримашинные) системные  интерфейсы предназначены для организации  связей между составными компонентами ЭВМ на уровне обмена информацией  с центральным процессором, оперативной памятью и контроллерами (адаптерами) ПУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Типы и характеристики стандартных  шин ввода-вывода

Типы и характеристики стандартных шин⁵, используемых в настоящее время, приведены в таблице 1.

Характеристики  стандартных шин

Таблица № 1.

Тип/назначение	Разрядность	Тактовая частота (МГц)	Пропускная способность (Мб/с)
ISA/общая	16	8	16
EISA/общая	32	8	33
VLB (VESA)	32	40	130
VLB2/локальная	64	40	400
PCI/ввод/вывод	32	33, 66	120, 133
SBUS/ввод/вывод	32, 64	20, 25	80, 100
MBUS/процессор-память	64	50	125 (400)
XDBUS/процессор-память	64	50	310 (400)
AGP/локальная графическая	32	133	533
PCI-X	64	133	1060

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture). Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture) - обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.

Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется  частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах  компании IBM.

Локальная шина VESA-Local-Bus (VLB) предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она подключалась непосредственно к процессору i486, и только к нему. После появления  процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VLB версии 2, который предусматривает  использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения. Ожидаемая скорость передачи данных - до 400 Мбайт/сек.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnection) в первом варианте использовалась как  локальная шина и предназначалась  для тех же целей, что и предыдущая шина (VLB). В действующем втором варианте шина PCI относится к шинам ввода/вывода. В данном случае соединение шин центрального процессора и PCI осуществляется через  так называемую РС1-перемычку, мост PCI или контроллер, которые согласуют  шину центрального процессора с шиной PCI. Это означает, что PCI может работать с процессорами различных платформ и поколений.

Шина VME приобрела большую  популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизирована, имеет несколько  версий этого стандарта: VME32, VME64.

Локальная шина AGP (Accelerated Graphics Port) первоначально предназначалась  исключительно для графики и  была способна повысить производительность видео-приложений. Для использования  технологии AGP необходим набор микросхем Intel 440LX, который позволяет разгрузить сравнительно "узкую" (133 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера  и подключить последний к специально предназначенной для него более "широкой" (528 Мб/с) шине AGP.

PCI-X - расширение шины PCI, которая  работает на тактовой частоте  133 МГц. Шина PCI-X обладает обратной  совместимостью с PCI, требует нового  набора микросхем Intel 450 NX, кроме  того, благодаря новой схеме обмена  регистр-регистр достигается пропускная  способность 1,06 Гб/с (8 Гбит/с), что  обеспечивает почти шестикратный  выигрыш в производительности. В  первую очередь PCI-X предназначена  для подключения высокопроизводительных  адаптеров типа Gigabit Ethernet, Ultra 3SCSI и  Fibre Channel (FC-AL).

 

 

 

Практическая часть

Рассмотрим следующую  задачу.

Пекарня реализует свою продукцию  через три торговые точки: две  булочные и кафе.

Необходимо сделать следующие:

1. Создать документ «Сводка о реализации товара» за один день по приведенной форме и произвести вычисления по графе Сумма, руб. с расчетом итогов по торговым точкам (рис.1).

Наименование	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
Булочная № 1
Городской	50	10
Ржаной	75	12
Бородинский	20	11
Батон белый	25	14
Лаваш	20	20
Итого
Булочная № 2
Городской	120	10
Ржаной	100	12
Лаваш	20	20
Калач	10	15
Итого
Кафе "XXI век"
Выпечка	150	13
Батон белый	7	14
Ржаной	5	12
Лаваш	50	20
Итого
Всего

Рис.1. Табличные  данные сводки о реализации за день

 

2. Сформировать итоговую таблицу, выполнив консолидацию по категории, результаты представить в графическом виде (рис. 2).

Наименование	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
Городской	170	10	1700
Ржаной	180	12	2160
Бородинский	20	11	220
Выпечка	150	13	1950
Батон белый	32	14	448
Лаваш	90	20	1800
Калач	10	15	150
Итого	652		8428
Рис. 2. Итоговая таблица

3. Создать сводную таблицу, выполнив группировку данных по виду хлебобулочных изделий (белый хлеб, черный хлеб), для всех торговых точек.

Описание последовательности решения задачи в среде MS Excel.

1. Запустить табличный  процессор MS Excel.

2. Создать книгу с именем  «Пекарня»

3. Лист 1 переименовать в  лист с названием товары.

4. На рабочем листе товары MS Excel создать таблицу данные сводки о реализации товара за день

5. Заполняем таблицу данные сводки о реализации товара за день (рис.1) исходными данными и производим вычисления по графе Сумма, руб. с расчетом итогов по торговым точкам (рис.3):

- занести в ячейку D5 формулу

= B5*C5.

- размножить введенные  в ячейку D5 формулу для остальных ячеек данной графы.

"Сводка о  реализации товара" за один  день
Наименование	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
Булочная № 1
Городской	50	10	500
Ржаной	75	12	900
Бородинский	20	11	220
Батон белый	25	14	350
Лаваш	20	20	400
Итого	190		2370
Булочная № 2
Городской	120	10	1200
Ржаной	100	12	1200
Лаваш	20	20	400
Калач	10	15	150
Итого	250		2950
Кафе "XXI век"
Выпечка	150	13	1950
Батон белый	7	14	98
Ржаной	5	12	60
Лаваш	50	20	1000
Итого	212		3108
Всего	652		8428

Рис.3. "Сводка о реализации товара" за один день

6. Сформировываем итоговую таблицу (рис.4), выполнив консолидацию по категории (рис.5), результаты представить в графическом виде:

- размещаем  каждый диапазон на отдельном листе.

-  убеждаемся, что подписи  столбцов или строк, которые  требуется объединить, совпадают  с учетом регистра.

- выделите диапазон, укажите  в меню Вставка на пункт  Имя, выберите команду Присвоить  и введите имя для данного  диапазона

- щелкнуть левый верхний  угол области, в которой требуется  разместить консолидированные данные.

- щелкнуть поле Ссылка, откройте лист, содержащий первый  диапазон данных для консолидации, введем имя этого диапазона  и нажмите кнопку  Добавить. Повторим  этот шаг для всех диапазонов.

- делаем график.

Итоговая таблица
Наименование	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
Городской	170	10	1700
Ржаной	180	12	2160
Бородинский	20	11	220
Выпечка	150	13	1950
Батон белый	32	14	448
Лаваш	90	20	1800
Калач	10	15	150
Итого	652		8428

Рис. 4. Итоговая таблица

 

 

 

Консолидация  данных по категории
Наименование	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
	50
	120
Городской	170	10	1700
	75		0
	100		0
	5		0
Ржаной	180	12	2160
	20		0
Бородинский	20	11	220
	150		0
Выпечка	150	13	1950
	25		0
	7		0
Батон белый	32	14	448
	20		0
	20		0
	50		0
Лаваш	90	20	1800
	10		0
Калач	10	15	150
Итого	652		8428

 

Рис.5. Консолидация данных по категории

7. Создаем сводную таблицу, выполнив группировку данных по виду хлебобулочных изделий (белый хлеб, черный хлеб), для всех торговых точек (рис.6):

- выбрать в меню Данные - Сводная таблица

- в первом диалоге указываем параметры сводной таблицы

- второй диалог попросит выделить данные для сводной таблицы. Excel

- в третьем диалоге нужно указать где будем создавать сводную таблицу. Выберите флаг Существующий лист, затем щелкните ячейку F1 и нажмите готово

- из диалога Список полей сводной таблицы перетащите поле Наименование в область.

- Создаем группу выделяем диапазон ячеек, включающей в себя строки или столбцы, которые хотим скрыть и переходим на вкладку «Данные»

- далее в правой части ленты нажимаем «Группировать»

- затем в открывшемся окне выбираем строки или столбцы, в зависимости от того, что мы хотим скрыть.

Группировка данных по виду хлебобулочных изделий
Сумма по полю Количество, шт.
Наименование2	Наименование	Итог
Белый хлеб	Батон белый	32
	Городской	170
	Калач	10
Черный хлеб	Бородинский	20
	Ржаной	180
Выпечка	Выпечка	150
Лаваш	Лаваш	90
Общий итог		652

Рис.6. Группировка данных по виду хлебобулочных изделий

 

 

Заключение

Ввод-вывод - означает взаимодействие между обработчиком информации (например, компьютер) и внешним миром, который может представлять как человек, так и любая другая система обработки информации. Ввод — сигнал или данные, полученные системой, а вывод — сигнал или данные, посланные ею (или из нее). Термин также может использоваться как обозначение (или дополнение к обозначению) определенного действия: «выполнять ввод/вывод» означает выполнение операций ввода или вывода.

Интерфейс ввода-вывода требует управления процессором каждого устройства. Интерфейс должен иметь соответствующую  логику для интерпретации адреса устройства, генерируемого процессором.