Система управления вводом-выводом

(Физические принципы организации ввода-вывода. Структура контроллера

устройства. Прямой доступ к памяти. Логические принципы организации ввода-вывода. Структура системы ввода-вывода.)

Функционирование любой вычислительной системы сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода.

Физические принципы организации ввода-вывода.

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д.

Процессор, память и многочисленные внешние устройства связаны большим количеством электрических соединений – линий, которые в совокупности принято называть локальной магистралью компьютера.

· шина данных, состоит из линий данных и служит для передачи информации между процессором и памятью, процессором и устройствами ввода-вывода, памятью и внешними устройствами;

· адресная шина, состоит из линий адреса и служит для задания адреса ячейки памяти или указания устройства ввода-вывода, участвующих в обмене информацией;

· шина управления, состоит из линий управления локальной магистралью и линий ее состояния, определяющих поведение локальной магистрали.

Операции обмена информацией осуществляются при одновременном участии всех шин.

Внешние устройства могут подключаться к локальной магистрали через порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода можно взаимно однозначно отобразить в другое адресное пространство – адресное пространство ввода-вывода. При этом каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве.

Контроллер, приняв информацию через свой порт, может непосредственно управлять отдельным устройством, а может управлять несколькими устройствами, связываясь с их контроллерами посредством специальных шин ввода-вывода (шина IDE, шина SCSI и т. д.).

· Устройства ввода-вывода подключаются к системе через порты.

· Могут существовать два адресных пространства: пространство памяти и пространство ввода-вывода.

· Порты отображаются в адресное пространство ввода-вывода и иногда – непосредственно в адресное пространство памяти.

· Использование того или иного адресного пространства определяется типом команды, выполняемой процессором, или типом ее операндов.

· Физическим управлением устройством ввода-вывода, передачей информации через порт и выставлением некоторых сигналов на магистрали занимается контроллер устройства.

· Единообразие подключения внешних устройств к вычислительной системе позволяет добавлять новые устройства без перепроектирования всей системы.

Структура контроллера устройства.

Контроллеры устройств ввода-вывода различны как по своему внутреннему строению, так и по исполнению.

Каждый контроллер имеет:

Регистр состояния содержит биты, значение которых определяется состоянием устройства ввода-вывода и которые доступны только для чтения вычислительной системой.

Регистр управления получает данные, которые записываются вычислительной системой для инициализации устройства ввода-вывода или выполнения очередной команды, а также изменения режима работы устройства.

Регистр выходных данных служит для помещения в него данных для чтения вычислительной системой.

Регистр входных данных предназначен для помещения в него информации, которая должна быть выведена на устройство.

Для доступа к содержимому этих регистров вычислительная система может использовать один или несколько портов.

Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами:

• символьные (клавиатура, модем, терминал и т. п.);

• блочные (магнитные и оптические диски и ленты, и т. д.);

• сетевые (сетевые карты);

• все остальные (таймеры, графические дисплеи, телевизионные устройства, видеокамеры и т. п.);

17. Методы описания информационных систем

17.Методы описания систем классифицируются в порядке возрастания формализованности - от качественных методов до количественного системного моделирования с применением ЭВМ. Разделение методов на качественные и количественные носит условный характер.

В качественных методах основное внимание уделяется организации постановки задачи, новому этапу ее формализации, формированию вариантов, выбору подхода к оценке вариантов, использованию опыта человека, его предпочтений, которые не всегда могут быть выражены в количественных оценках.

Количественные методы связаны с анализом вариантов, с их количественными характеристиками корректности, точности и т. п. Для постановки задачи эти методы не имеют средств, почти полностью оставляя осуществление этого этапа за человеком.

Качественные методы системного анализа применяются, когда отсутствуют описания закономерностей систем в виде аналитических зависимостей.

Методы выработки коллективных решений.

• Методы типа мозговой атаки или коллективной генерации идей.

• Методы типа сценариев.

• Методы групповых дискуссий (дискуссионные методы).

Методы структуризации

• Методы типа «дерева целей».

• STEP- и SWOT –анализ.

• Методы портфельного анализа.

• Методы экспертных оценок.

• Морфологические методы.

Количественные методы описания систем

Уровни описания систем. При создании и эксплуатации сложных систем требуется проводить многочисленные исследования и расчеты, связанные с:

• оценкой показателей, характеризующих различные свойства систем;

• выбором оптимальной структуры системы;

• выбором оптимальных значений ее параметров.

Выполнение таких исследований возможно лишь при наличии математического описания процесса функционирования системы, т. е. ее математической модели.

Математическая модель (ММ) описывает некоторый упрощенный процесс, в котором представлены лишь основные явления, входящие в реальный процесс, и лишь главные факторы, действующие на реальную систему.

Какие явления считать основными и какие факторы главными - зависит от назначения модели, от того, какие исследования с ее помощью предполагается проводить.

Для достижения максимально возможной полноты сведений необходимо изучить одну и ту же систему на всех целесообразных для данного случая уровнях абстракции.

Уровни абстрактного описания систем:

• символический, или, иначе, лингвистический (термы и функторы);

• теоретико-множественный (множества: элементы, свойства, отношения);

• абстрактно-алгебраический ;

• топологический;

• логико-математический (автоматы);

• теоретико-информационный (информация, кодирование);

• динамический (моменты времени…);

• эвристический (элементы интеллекта).

Условно первые четыре уровня относятся к высшим уровням описания систем, а последние четыре - к низшим.

Кибернетический подход к описанию систем, состоит в том, что все системы рассматриваются как системы управления. Кибернетический подход к описанию систем состоит в том, что всякое целенаправленное поведение рассматривается как управление.

Динамическое описание систем.

1) система функционирует во времени; в каждый момент времени система может находиться в одном из возможных состояний;

2) на вход системы могут поступать входные сигналы;

3) система способна выдавать выходные сигналы;

4) состояние системы в данный момент времени определяется предыдущими состояниями и входными сигналами, поступившими в данный момент времени и ранее;

5) выходной сигнал в данный момент времени определяется состояниями системы и входными сигналами, относящимися к данному и предшествующим моментам времени.

Динамическая система — математическая абстракция, предназначенная для описания и изучения систем, эволюционирующих с течением времени.

Детерминированная система без последствий – система, состояние которой зависит только от z(t0) и не зависит от z(0) ... z(t0), т.е. z(t) зависит от z(t0) и не зависит от того каким способом система попала в состояние z(t0).

Детерминированные системы с последствием - для представления их состояния необходимо знать состояние системы на некотором множестве моментов времени.

Системы функционирующие под воздействием случайных факторов, называются стохастическими.

Описания динамических систем - с помощью дифференциальных уравнений, дискретных отображений, теории графов, теории марковских цепей и т.д.

Случайный процесс – процесс в некоторой системе, заключающийся в смене состояний системы под воздействием случайных факторов.

Случайный процесс называется Марковским (или процессом без последствий), если в любой момент времени t0 вероятность любого состояния системы в будущем (t>t0) зависит только от ее состояния в настоящем (t=t0), и не зависит от того, когда и каким образом система пришла в это состояние.

Системой массового обслуживания (СМО) называется любая система для выполнения заявок, поступающих в неё в случайные моменты времени.

Этапы функционирования СМО:

1) приход (поступление) требования;

2) ожидание (при необходимости) в очереди;

3) обслуживание в канале;

4) уход требования из системы.

Предмет теории массового обслуживания — построение математических моделей, связывающих заданные условия работы СМО с интересующими нас характеристиками — показателями эффективности СМО, описывающими, с той или другой точки зрения, ее способность справляться с потоком заявок.

При агрегатном описании сложный объект (система) разбивается на конечное число частей (подсистем), сохраняя при этом связи, обеспечивающие их взаимодействие. Если некоторые из полученных подсистем оказываются в свою очередь ещё достаточно сложными, то процесс их разбиения продолжается до тех пор, пока не образуются подсистемы, которые в условиях рассматриваемой задачи моделирования могут считаться удобными для математического описания. В результате такой декомпозиции сложная система представляется в виде многоуровневой конструкции из взаимосвязанных элементов, объединенных в подсистемы различных уровней.