Программно-управляемый ввод/вывод

Периферийные устройства решают задачу ввода данных и вывода результата их обработки. Они подключаются через адаптеры — контроллеры со стандартизованными интерфейсами. Стандартизация необходима для сохранения возможности подключения различных устройств к одному порту. Через один контроллер может подключаться несколько устройств одновременно. Передача данных в этом случае будет многоканальной.

Программе контроллера доступно несколько регистров, каждый со своим адресом. Процессор считывает адреса, запоминает их, после чего по одному проводнику становится возможным обращение ко многим адресам по очереди. Именно по такому принципу работает, например интерфейс клавиатуры с 106 клавишами с передачей всего по 2 проводам. Быстродействие такого интерфейса очень высокое. Оно определяется тактовой частотой передачи данных (частота шины).

Если данные необходимо передавать на большие расстояния, то ставится конвертеры, усилители. Эти устройства не меняют логической последовательности цифрового сигнала. В обычных условиях их применение избыточно.

Контроллеры имеют свои прописанные наборы команд. Контроллер интерфейса получает команды от центрального процессора. Контроллер обрабатывает команду автономно, без ресурсов ЦП. Команда преобразуется в сигналы управления периферийным устройством. Одновременно выполнятся считывание данных с устройства.

Физически команды передаются в виде логических уровней 0 или 1. Стандартным является значение 0 и 5 вольт. Входные устройства имеют гистерезис (разброс значений) входных уровней, что позволяет исключить ложные срабатывания при высоком уровне электромагнитных помех. Периферийные устройства могут подключаться неэкранированными проводами.

Интерфейсные (периферийные) контроллеры выполняют ряд вспомогательных функций. Они также инициируются командами ЦП, записью информации в собственные регистры (напр. Команда «сброс», «перезагрузка», «отключение»). Разработаны как простые аппаратные контроллеры, так и более сложные, выполняющие тысячи различных команд и обладающие значительной памятью регистров.

Управление устройством осуществляется по специальной программе ввода/вывода. Команды делят на IN и OUT (чтение и запись). С помощью этих команд обеспечивается доступ к регистрам контроллера. Упрощенно, процесс можно представить так:

• Обмен для проверки готовности устройства. Запускается программа тестирования. В простых интерфейсах просто посылается несколько пакетов данных, на которые контроллер устройства должен ответить.
• При появлении пакета данных о готовности устройства, процессор по команде OUT записывает в регистр данные на устройство. По команде IN он, наоборот, получает данные с устройства. После чего возможен запуск следующей операции по аналогичной схеме.

DMA — Direct Memory Access (прямой доступ к памяти). Технология подразумевает предоставление периферийному устройству доступа к динамической (оперативной, энергозависимой) памяти в обход центрального процессора. По этой схеме часто реализуются прошивки микроконтроллеров, где тоже реализован DMA, но на очень небольших ресурсах (несколько кБ). Выгода тут в сбережении ресурсов. Микропроцессор может исполнять свои команды во время обработки команд периферийного устройства периферийным интерфейсным контроллером с использованием ресурсов памяти. С ЦП снимается нагрузка рутинной пересылки данных во время выполнения вычислений. Эта работа передается другой микросхеме. Для организации DMA используются контроллеры прямого доступа. Обычно используют 8 каналов.