1. ВЛЕЗНО/ИЗЛЕЗНИ ЕДИНИЦИ И СИСТЕМИ ЗА СМЕСТУВАЊЕ НА ПОДАТОЦИ
Предавач: д-р Цвета Мартиновска
Фонд на часови: 2+2

2. В/И архитектури
В/И подсистемот се состои од компоненти кои пренесуваат кодирани податоци меѓу екстерните уреди и хост системот кој се состои од CPU и главна меморија.
В/И подсистемот вклучува:
Блокови главна меморија наменети за В/И функции
Собирници за пренос на податоци во и надвор од системот
Контролни модули во хостот и периферните уреди
Интерфејси до екстерни компоненти како тастатури и дискови
Кабли/комуникациони линкови меѓу хост системот и перифериите

3. В/И подсистем

4. В/И архитектури
В/И модулите се грижат за преместување податоци меѓу главната меморија и интерфејсот на одреден уред.
Интерфејсите овозможуваат комуникација со направи како тастатури, дискови или печатачи. Се грижат за тоа дали направите се подготвени да примат податоци или дали хостот е подготвен да прими податоци од одреден периферен уред.
Сигналите кои се разменуваат меѓу испраќачот и примачот се нарекуваат протокол.
Протоколите се состојат од:
Командни сигнали (Printer reset)
Статусни сигнали (Tape ready)
Сигнали за проследување податоци

5. В/И архитектури
Handshake протокол е тип на протокол каде примачот мора да ги потврди (acknowledge) командите и податоците кои му се пратени или да укаже дека е спремен да прима податоци.
Надворешните уреди како печатачи и драјвови за дискови и ленти содржат buffer меморија. Баферите овозможуваат системот да испраќа голема количина податоци до периферните уреди без да се чека бавните механички уреди да ги запишат податоците.
Блоковите главна меморија посветена на диск драјвовите се обично кеш меморија, додека на печатачите се RAM.
Контролните модули обезбедуваат податоците да стигнат каде се наменети. При запис на диск обезбедуваат дискот да е правилно позициониран така да податоците се запишат во одредена локација. Кај печатачите ја придвижуваат главата на печатачот или ласерскиот зрак на позиција на следниот карактер, ја активираат главата, исфрлаат хартија (eject paper) и друго.

6. В/И контролни методи
Компјутерските системи може да користат еден од 4 контролни методи:
Програмиран В/И (programmed I/O)
В/И воден од интерапт (interrupt-driven I/O)
Директен мемориски пристап (DMA)
В/И со приклучен канал (channel-attached I/O)
Начинот на кој компјутерот ги контролира неговите В/И влијае на дизајнот и перформансите на целиот систем.

7. Програмиран В/И
Системите кои користат програмиран В/И имаат најмалку еден регистер за ексклузивна употреба за секој уред.
CPU постојано го надгледува секој регистер чекајќи податок. Овој процес се нарекува прозивање (polling).
Откога CPU ќе открие состојба "data ready" ги извршува инструкциите програмирани за соодветниот регистер.
Предност на приодот програмиран В/И е што постои програмирана контрола врз однесувањето на секој уред. Со промена на програмата може да се направат промени во бројот и типот на уреди во системот, на прозивачките приоритети и интервали.
Проблем е постојаното прозивање на регистрите кое води до тоа да CPU е постојано во состојба на чекање се додека нема В/И да се обработува.
Затоа програмиран В/И е применлив за системи со специјална намена кои вршат надгледување на настани од околината.

8. В/И воден од интерапт
Приодот В/И воден од интерапт е спротивен на програмиран В/И. Наместо CPU постојано да ги прозива приклучените уреди, приклучените уреди му кажуваат на CPU кога имаат податоци за испраќање.
CPU извршува задачи се додека не биде прекинат од направа која бара опслужување. Интераптите се сигнализираат со бит во CPU flag регистерот наречен interrupt flag.
Кога interrupt flag е сетиран оперативниот систем прекинува било каков програм кој тековно се извршува зачувувајќи ја состојбата. Потоа се зема адресата на В/И рутината за сервисирање на интераптот. Откако CPU ќе го заврши сервисирањето на В/И се продолжува со извршување на прекинатиот програм.
Со промена на В/И сервисните рутини може да се поддржат хардверските промени.

9. Директен мемориски пристап
Кај програмиран В/И и В/И воден од интерапт CPU пренесува податоци кон и од уредот. CPU извршува инструкции слични на следниот псевдокод:
WHILE More-input AND NOT Error
ADD 1 TO Byte-count
IF Byte-count > Total-bytes-to-be-transferred THEN
EXIT
ENDIF
Place byte in destination buffer
Raise byte-ready signal
Initialize timer
REPEAT
WAIT
UNTIL Byte-acknowledged, Timeout, OR Error
ENDWHILE

10. Директен мемориски пристап
Тие инструкции може да се програмираат во наменски чип, што всушност е идеата на директниот мемориски пристап.
Кога се користи DMA CPU е растеретен од В/И инструкции.
CPU го обезбедува DMA контролерот со локацијата на бајтите кои треба да се пренесат, бројот на бајти и одредишниот уред или мемориска адреса. Оваа комуникација се одвива преку специјални В/И регистри во CPU.
Откога вредностите се сместат во меморија CPU му сигнализира на DMA подсистемот и продолжува со следната задача, додека DMA се грижи за В/И.
Кога В/И е завршен или се јави грешка DMA подсистемот му сигнализира на CPU со испраќање друг интерапт.
DMA контролерот и CPU ја делат истата мемориска собирница. В/И има приоритет пред CPU да земе инструкција или податоци од меморија.

11. Пример на DMA конфигурација

12. Директен мемориски пристап
Ако системот не детектира В/И активност во одреден период се јавува timeout и abort на В/И процесот.
За да се избегне timeout на уредот DMA користи мемориски циклуси кои во друг случај би биле користени од CPU. Овој процес се вика cycle stealing. В/И уредите испраќаат блокови податоци на собирницата.

13. Канален В/И
При програмиран В/И се пренесува еден бајт податок во даден момент. В/И воден од интерапт може да пренесува податоци во блокови или еден бајт во еден момент, што зависи од видот на уредот. Побавни уреди, како тастатура генерираат повеќе интерапти по број на пренесени бајти отколку дисковите или печатачите. DMA методите се блок-ориентирани и го прекинуваат CPU по завршување на преносот на податоци или при грешка.
DMA пристапот малку го оптоварува CPU и е добар за едно-кориснички системи но не и за повеќе-кориснички системи.
За такви системи се употребува интелигентен тип DMA интерфејс наречен В/И канал.
Во канален В/И еден или повеќе В/И процесори контролираат различни В/И патишта наречени канални патишта.
Каналните патишта за бавни уреди како терминали и печатачи може да се комбинираат (мултиплексираат) овозможувајќи управување на неколку уреди преку само еден контролер.
Каналите за диск драјвови и други брзи уреди се нарекуваат селекторски канали.

14. Канален В/И
В/И каналите се водат од мали CPU наречени В/И процесори (ВИП). За разлика од DMA ВИП имаат особина да извршуваат програми кои вклучуваат аритметичко-логички инструкции и инструкции на гранење.
ВИП извршуваат програми кои се сместуваат во главната меморија на хостот. Програмите се состојат од канални команди не само за пренос на податоците туку и за контрола на уредите. На пример иницијализација на направите, премотување на лента, исфрлање страна кај печатач и слично.
Кога В/И програмот е внесен во меморија хостот ја повикува командата за start subchannel информирајќи го ВИП за локацијата во меморија каде е програмот. Откога ВИП завршува со работа сместува информација во меморија и испраќа интерапт до CPU.

15. Канален В/И

16. Канален В/И
Основна разлика меѓу DMA и канален В/И е во интелигенцијата на ВИП. ВИП протоколите испраќаат команди кон уредите и може да префрлаат цели датотеки или групи датотеки независно од CPU.
Хостот треба единствено да креира програмски инструкции за В/И операциите и да му каже на ВИП каде да ги најде.
Како и DMA ВИП мора да краде мемориски циклуси од CPU.
За разлика од DMA каналните В/И системи имаат посебни собирници. ВИП ја користи системската собирница само за земање инструкции од главната меморија. Преносот на податоците се одвива преку В/И собирница.

17. Операции на В/И собирницата
На сликата е архитектура каде:
Системската собирница се дели меѓу повеќе компоненти
Пристапот до собирницата мора да се контролира

18. Операции на В/И собирницата
Од претходните дискусии е јасно дека мемориската собирница и В/И собирницата може да бидат различни ентитети.
Трансферите на податоци од меморијата може да се синхрони, меморијата не може да е offline или да има ист тип грешки како периферните уреди.
В/И собирниците не може да работат синхроно, и мора да се земе предвид фактот дека В/И уредите не може секогаш да бидат подготвени за процесирање на В/И трансфер.
В/И контролните кола поставени на В/И собирницата и во В/И уредите преговараат меѓусебе за да го определат моментот кога уредот може да ја користи собирницата. В/И собирниците се асинхрони.

19. DMA конфигурација со посебни адресни, податочни и контролни линии

20. Поврзување на контролерот на диск интерфејсот со В/И собирницата
На следната слика е претставено поврзувањето на диск контролерот со 3-те собирници. Адресните и податочните собирници се состојат од голем број проводници од кои секој носи еден бит информација.
Бројот на податочни линии ја определува ширината на собирницата. На пример собирница која има 8 податочни линии носи еден бајт податоци.
Адресната собирница има доволен број проводници за уникатно да го идентификува секој уред на собирницата.
Контролните линии ја координираат активноста на собирницата и направите приклучени на неа.
На сликата е прикажан минимум потребни контролни линии. На пример првиот IBM PC имал повеќе од 20 контролни линии.

21. Поврзување на контролерот на диск интерфејсот со В/И собирницата

22. Поврзување на контролерот на диск интерфејсот со В/И собирницата
За да се запишат податоци на дискот за дадената конфигурација се изведува следната секвенца операции:
DMA ја поставува адресата на диск контролерот на адресните линии и поставува Request и Write сигнали.
Кога е поставен Request сигнал колата на декодерот во контролерот ги испитуваат адресните линии.
Ако ја открие својата адреса декодерот ги активира колата на диск контролерот. Ако дискот е расположив за запишување податоци контролерот поставува сигнал на Ready линијата. Со ова завршува handshake меѓу DMA и контролерот. Кога е поставен Ready сигнал друга направа не може да ја користи собирницата.
DMA колата поставуваат податоци на линиите и го намалуваат Request сигналот.
Кога диск контролерот ќе види дека Request сигналот е спуштен испраќа бајт од податочните линии до диск баферот и го спушта неговиот Ready сигнал.

23. Временски дијаграм на собирницата за операцијата запишување на диск
Сигналите во собирницата може да се менуваат само при опаѓачки или растечки раб на такт сигналот од системскиот часовник. На сигналите на собирницата им треба време за да се стабилизираат. Ова време придонесува за доцнење при долги В/И трансфери.
Многу реални В/И собирници немаат различни адресни и податочни линии. Заради асинхроната природа на В/И собирницата податочните линии може да се употребат за пренос на адресата на уредите. Во тој случај треба да се додаде контролна линија која укажува дали преку собирницата се пренесуваат податоци или адреса.

24. Временски дијаграм на собирницата за операцијата запишување на диск

25. Друг поглед врз В/И воден од интерапт
Досега подразбиравме дека периферните уреди се неактивни се додека на линијата не се постави команда за активирање. Тоа укажува дека целата активност потекнува од CPU.
Кај В/И воден од интерапт периферните уреди имаат можност да побараат услужување од CPU.
Секој периферен уред има пристап до Interrupt Request линија.
Interrupt control чипот има влез за секоја interrupt линија.
Кога се активира interrupt линија контролерот го декодира интераптот и го активира влезот Interrupt (INT) во CPU.
Кога CPU е подготвен да го процесира интераптот тој испраќа Interrupt Acknowledge (INTA) сигнал.
Ако интерапт контролерот ја добие оваа потврда тој го спушта INT сигналот.

26. Друг поглед врз В/И воден од интерапт

27. Друг поглед врз В/И воден од интерапт
Одлуката кои интерапти имаат предност пред други е вградена во контролерот.
Бројот на интерапт линии е ограничен и во некои случаи интераптот може да се дели.
Делените интерапти не предизвикуваат проблеми кога нема 2 направи на кои ќе им треба истиот интерапт во исто време.
Проблем може да настане кај сериски глувци и модеми, кои по грешка при инсталирање може да се постават на ист интерапт.

28. Магнетен диск
Пред напредокот на технологијата за изработка на дискови дупчените картички и магнетните ленти биле единствен медиум за траен запис.
Во 1956 год. IBM го промовирал првиот диск-базиран компјутер наречен RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control).
Дискот бил огромен. Секоја плоча (platter) имала дијаметар 24 инчи и содржела само битни карактери на секоја површина. Имало 50 дво-површински плочи монтирани на држач (spindle). Вкупниот капацитет бил околу 5 милиони карактери и требало просечно 1 секунда за да се пристапи до податоците на дискот. Дискот тежел повеќе од 1 тон и коштал милиони долари.
За споредба во 2000 год. има дискови за palmtop со дијаметар 1 инч и капацитет 1 GB, со просечно време на пристап 15 милисекунди. Цената била околу $300.

29. Магнетен диск
Дисковите се нарекуваат меморија со случаен пристап бидејќи секоја единица сектор (sector) има уникатна адреса на која може да и се пристапи независно од секторите околу неа.
Секторите се делови од концентрични кругови наречени траки (track).
Кај повеќето системи секоја трака содржи ист број на сектори.
Секој сектор содржи ист број на бајти. Така, податоците се напишани погусто во центарот на дискот отколку на периферијата.
Траките се последователно нумерирани почнувајќи со трака 0 на крајниот раб на дискот.
Секторите може да не се последователно наредени околу обемот на траката. Ова се нарекува interleaving и варира според брзината на ротација на дискот, како и брзината на колата на дискот.
Денешните дискови читаат една трака во еден момент, а не еден сектор во еден момент, така interleaving-от денес е помалку вообичаен.

30. Магнетен диск

31. Магнетен диск
Дисковите (hard, fixed disk) содржат контролни кола и една или повеќе метални или стаклени плочи (platters) на кои е нанесен магнетен слој. Плочите се монтирани на држач (spindle) кој се придвижува со мотор сместен во диск драјвот.
Дисковите може да ротираат со брзина револуции во минута (rpm-revolutions per minute). Највообичаени вредности се 5400 rpm и 7200 rpm.
Главите за читање/запишување се монтирани на ротирачка рака (actuator arm) и се позиционираат на соодветно место со магнетни полиња индуцирани во колата кои се поставени на оската на раката. Кога актуаторот е активиран главите се движат кон или од центарот на дискот.
Диск контролерот се грижи за корегирање на грешките при читање/запис и за позиционирање на главите.

32. Магнетен диск

33. Магнетен диск
Сите траки една под друга на држачот формираат цилиндер (cylinder). Главите пристапуваат кон еден цилиндер во еден момент.
Една глава чита/запишува врз една (долна/горна) површина на плоча. Главите не ги допираат површините но се на растојание од неколку микрони.
Време на пребарување (seek time) е време потребно раката да се позиционира на соодветната трака. Ова време не го вклучува времето за читање на диск директориумот. Диск директориумот ја мапира информацијата за логичкиот фајл пр. mojfajl.doc во физичка информација цилиндер 7, површина 3 сектор 72.
Некои дискови со високи перформанси го елиминираат времето за пребарување со обезбедување глави за секоја трака на секоја површина. Бидејќи нема подвижна рака единствените доцнења се предизвикани од ротациското каснење.
Ротациско каснење (rotational delay) е време потребно да бараниот сектор се позиционира под главата за читање/запис.

34. Магнетен диск
Збирот од ротациското каснење и времето на пребарување се нарекува време на пристап (access time).
Ако на времето на пристап се додаде време за читање на податоците од диск се добива време на пренос (transfer time). Ова време зависи од тоа колку податоци се читаат.
Латентноста е директна функција од ротационата брзина. Тоа е мерка за време потребно секторот да се придвижи под главата за читање/пишување откога главата се позиционирала врз соодветната трака.

35. Оптички диск
Од оптичките дискови најпопуларен е CD-ROM (compact disk-read only memory).
За архивирање на податоци може да се применат:
CD-R (CD-recordable)
CD-RW (CD-rewritable)
WORM (write once read many)

36. CD-ROM
CD-ROM-ови се пластични дискови со дијаметар 120 мм со нанесен алуминиумски слој. Алуминиумскиот слој е заштитен со акрилен слој за спречување на абразија и корозија.
Алуминиумскиот слој рефлектира светлина која се емитува од зелена ласерска диода сместена под дискот. Рефлектираната светлина проаѓа низ призма која ја насочува светлината кон фотодетектор. Фотодетекторот ги конвертира импулсите светлина во електрични сигнали кои се испраќаат до електрониката на декодерот на драјвот.
На компакт дисковите се пишува од центарот кон надворешниот раб користејќи една спирална трака врз поликарбонатната материја.
Испишаните делови се нарекуваат јами (pits) и се широки 0.5 микрони и се долги меѓу 0.83 и 3.56 микрони, а просторите меѓу испишаните делови се нарекуваат lands.

37. Градба на CD-ROM драјв

38. Спирална трака на CD

39. CD-ROM
CD-ROM-ови првично се дизајнирани за сместување музика и други секвенцијални аудио сигнали.
Подоцна се применуваат за сместување податоци. Податоците се сместуваат во блокови од 2352 бајти наречени сектори кои лежат вдолж траката. Секторите се направени од бита примитивни единици наречени канални рамки.
Каналните рамки (channel frames) се состојат од синхронизирачка информација, заглавие (header) и 33 симболи од 17-бита.
17-битните симболи се кодирани користејќи RLL(2,10) код наречен EFM(eight-to-fourteen modulation).
Електрониката на диск драјвот ги чита и интерпретира каналните рамки за да креира друга податочна структура наречена мала рамка (small frame).
Малите рамки се широки 33 бајти, од кои 32 бајти се корисничка информација. Еден бајт е информација за подканал (subchannel).
Има 8 подканали P,Q,R,S,T,U,V и W. Сите освен P и Q имаат значење само за аудио апликации. P означува време на почеток и крај, Q содржи контролна информација.

40. Формати на податочен сектор на CD

41. CD-ROM
Најголем број компакт дискови работат со константна линеарна брзина (constant linear velocity-CLV) што значи дека брзината со која секторите поминуваат под ласерот е константна без разлика дали секторите се на почеток или крај на дискот. Константна брзина се постигнува со вртење на дискот побрзо кога се пристапува до надворешни траки отколку до внатрешни.
Секторот се адресира со бројот на минути и секунди на траката кои лежат меѓу тековната позиција и центарот (почетокот) на дискот.
Овие минути и секунди се калибрираат под претпоставка дека CD player обработува 75 сектори по секунда.
За да се лоцира сектор читачот се движи нормално на диск траката одредувајќи приближно каде е секторот. По читање на произволен сектор главата ја следи траката до саканиот сектор.

42. CD-ROM
Секторот може да има еден од 3 формати кои се определуваат при снимањето на компакт дискот.
Начинот 0 и 2 се за снимање музика и немаат можност за корекција на грешка. Капацитетот е 742 MB.
Начинот 1 е за снимање податоци и има 2 нивоа за детекција и корекција на грешка. Капацитетот за начин 1 е 650 MB.
Може да се направат 99 сесии на CD. Сесиите имаат 4500 секторски lead-in кој содржи содржина за податоците во сесијата и 6750 или 2250 секторски lead-out на крајот.

43. CD-ROM

44. DVD – Digital versatile disk (digital video disk)
DVD ротира со 3 пати поголема брзина од CD и има поголема густина на запис.
Деловите со запис (pit) се со дебелина 0.4 до 2.13 микрони, а растојанието меѓу траката е 0.74 микрони.
Како и CD доаѓа во верзија само за читање (nonrecordable) или и за читање и за запис (recordable).
За разлика од CD, DVD може да е еднострано или двострано.