7.1 Ein- und Ausgabegeräte. 7. Periphere Geräte. 7.1 Ein- und Ausgabegeräte. 7.2 Externe Speicher (Sekundärspeicher) 7.3 Ein- und Ausgabetechniken

Transkript

1 7. Periphere Geräte 7.1 Ein- und Ausgabegeräte 7.1 Ein- und Ausgabegeräte 7.2 Externe Speicher (Sekundärspeicher) 7.3 Ein- und Ausgabetechniken Dienen zum Austausch von Daten mit der Umgebung, z.b. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ dem Endbenutzer dem Operator der Steuerung einer Werkzeugmaschine (CNC) oder eines Roboters einem Sensor (Messfühler) usw. In den meisten Fällen müssen die Daten bei der Einund Ausgabe aufbereitet werden, da die interne Darstellung von der externen Darstellung abweicht. Beispiel Eine Ganzzahl, die von der Tastatur eingelesen wird, muss von einer zeichenorientierten Darstellung (ASCII oder EBCDIC) in eine Binärzahl im Zweierkomplement umgewandelt werden. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-2

2 Geschichte der E-/A-Geräte Prozessoren und Speicher in E/A- Geräten Lochkartenleser, Schnelldrucker (Zeilendrucker), Lochstreifenleser, Fernschreiber ("Teletype") Belegleser ("optical character reader", OCR), Strichcode-Leser Sensoren und Aktuatoren in der Prozessdatenverarbeitung alphanumerische Bildschirme mit Kathodenstrahlröhre (CRT) und Tastatur. Ermöglichen "Full- Screen-Verarbeitung" mit Cursor-Steuerung usw. Farbgraphik-Bildschirme Matrixdrucker, Tintenstrahldrucker, Laserdrucker (als Hochgeschwindigkeitsdrucker und als Seitendrucker) Maus Audio, Video (bald!) Spracheingabe, Sprachausgabe (wann?) Zunehmend enthalten E/A-Geräte eigene Prozessoren und eigene Speicher. Beispiele Grafikprozessor und -speicher auf der Grafikkarte im PC Prozessor und Speicher (viele MB!) im Laserdrucker. Der Drucker ist programmierbar. Signalprozessoren bei der Ein- und Ausgabe von Sprache. Immer mehr werden die Rechensysteme de facto zu verteilten Systemen, bei denen jede Einheit ein eigener Spezialrechner ist, der mit den anderen über Kommunikationsprotokolle Daten und Kontrollinformationen austauscht. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-4

3 7.2 Externe Speicher (Sekundärspeicher) Der Hauptspeicher ist schnell, teuer und flüchtig. Deshalb braucht man einen Sekundärspeicher, bei dem die Speicherkosten pro Bit niedriger sind. Dieser Speicher kann langsamer sein. Er muss Daten dauerhaft (nicht-volatil) speichern können. Darüber hinaus ist meist ein externes Speichermedium zum Transferieren von Daten und Programmen vorhanden (Diskette, CD-ROM). Die wichtigsten Funktionen des Sekundärspeichers sind also: Archivierung von Daten und Programmen Hintergrundspeicher für den Hauptspeicher (z.b. beim Paging) Transfer von Dateien (Disketten, Bänder). Typen von externen Speichern Magnetplatte, Diskette Magnetbandkassette optische Platte (CD - ROM), auch wiederbeschreibbare optische Platte früher auch: Magnettrommelspeicher Lochkarten (Stapel, Batch, Kartendeck) Magnetband Die Lochkarte hat auf die moderne Datenverarbeitung einen erheblichen Einfluss gehabt. Aus den Lochkartenzeiten stammen z. B. die feste Satzlänge von 80 Bytes, die satzorientierten Editoren und der Begriff der "Stapelverarbeitung" (Batch). 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-6

4 Prinzip der magnetischen Speicherung Technik der Magnetplattenspeicher write head write current to sense amplifier read head magnetic medium motion of medium backing materials Magnetic surface recording arrangement Recording head Gap width Pole depth Fring ing field Head - tape seperation Film or oxide coating thickness Tape base Spur (track): konzentrischer Kreis auf einer Plattenoberfläche Zylinder (cylinder): Die übereinanderliegenden Spuren aller Plattenoberflächen. Alle Spuren eines Zylinders können ohne Bewegung des Zugriffsarms gelesen oder geschrieben werden. Some of th important dimensions in surface recording Früher auch als Wechselplatte gebräuchlich, heute meistens Festplatte. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-8

5 Technik der Magnetplattenspeicher (1) Technik der Magnetplattenspeicher (2) Die Zugriffszeit besteht aus den Komponenten ƒ Positionierzeit (Zugriffsbewegungszeit) ƒ Umdrehungswartezeit. Im Mittel eine halbe Umdrehungszeit. Magnetplatten sind Direktzugriffsspeicher, da relativ schnell auf jede Stelle der Platte direkt zugegriffen werden kann. ƒ Übertragungszeit für die Daten. Proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit und zur Aufzeichnungsdichte. Indexpunkt Z K M Z K A Schlüssel Daten M Z K A Spuradresse Satzadresse Datenteil Satzadresse Schlüssel Daten M Z K A Schlüssel Daten M Datenteil Satzadresse Datenteil Z = Zylindernummer K = Nummer des Lese- und Schreibkopfes (Oberflächennummer) M = Marke A = Satznum m er Auf PC-Platten werden statt Sätzen variabler Länge meist Segmente fester Länge benutzt. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-10

6 Spuren und Sektoren Interleaving von Sektoren Spur 0 Spur 1 Spur 2 Spur 3 Spur 4 Um dieselbe Festplatte an verschieden schnelle Rechner anschließen zu können, kann die Plattensteuerung beim Lesen und Schreiben auf Festplatten jeweils eine festgelegte Anzahl von Sektoren überspringen (Interleaving). Dadurch bleibt dem Betriebssystem genügend Zeit, die Daten aus dem Hauptspeicher zu holen bzw. dort abzulegen. Sektoren Spur 5 Die Einrichtung der Spuren und Sektoren geschieht bei der "low-level-formatierung". Die inneren und äußeren Sektoren speichern dieselbe Anzahl von Bits. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-12

7 Verlauf der Zugriffsbewegungszeit Technik der Magnetbandspeicher (1) 140 Zeit in Millisekunden Zahl der überquerten Zylinder Für die Charakteristiken der Magnetplatten wird in allen modernen Betriebssystemen eine spezielle Unterstützung bereitgestellt ("DOS" = Disk Operating System), die die Sektoren, Spuren und Zylinder verwaltet. Die Zuordnung von Dateien zu Sektoren, Spuren und Zylindern geschieht ohne Kontrolle des Programmierers durch das Dateisystem. Dabei versucht das Dateisystem, die Sektoren einer Datei physisch benachbart auf der Platte anzulegen. Manche Dateisysteme enthalten spezielle Zugriffsmethoden für Dateien auf Magnetplatten, z.b. VSAM, ISAM usw., die eine effiziente Dateiorganisation mit Direktzugriff auf einzelne Datensätze erlauben. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-14

8 Technik der Magnetbandspeicher (2) Optische Speicher Auf Grund des technischen Aufbaus haben Magnetbänder die folgenden Eigenschaften: ƒ Lesen und Schreiben nur sequentiell, kein Direktzugriff! Erkennen von Blöcken anhand von Schlüsseln. ƒ Kosten pro Bit sehr niedrig ƒ Zugriff sehr langsam ƒ Einsatz meist zur Archivierung, Datensicherung und zum Transferieren von Programmen und Daten. Read-Only (CD-ROM) Entstanden auf der Basis der Audio-CD-Technik. Lesen durch Laserstrahl. Schreiben einmalig bei der Herstellung. Sehr hohe Aufzeichnungsdichte, Speicherkapazität > 600 MByte. Kontaktloses und daher verschleißfreies Lesen. Wechselplatte. Direktzugriff möglich. Langsamer als die Festplatte, aber schneller als das Magnetband. Anwendungen Verteilung von Software Verteilung von Inhalten (z.b. Lexika, Wörterbücher, Landkarten Write Once/Read Multiple (Worm) Kann vom Benutzer einmal geschrieben werden (z.b. durch Verdampfen der Oberfläche durch Laserstrahl mit erhöhter Energie). Danach beliebig häufiges Lesen. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-16

9 Technik der optischen Speicherplatten (1) Technik der optischen Speicherplatten (2) Durchmesser der Platte: Umdrehungsgeschwindigkeit: 120 mm Upm "Constant Line Velocity" Nur eine spiralförmige Spur mit nummerierten, direkt adressierbaren Blöcken (aus der Audiotechnik übernommen). Automatische Spurverfolgung durch den Laserstrahl. Die CD-ROM hat aufwendige Fehlerentdeckungs- und Behebungsmechanismen (Forward Error Correction). Abb.: Der prinzipielle physikalische Aufbau einer CD 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-18

10 7.3 Ein- und Ausgabetechniken Beispiel: Kartenleser (1) Zur Ein- und Ausgabe muss es möglich sein, Befehle an das Gerät zu übermitteln, und Daten mit dem Gerät auszutauschen. Die E/A-Befehle sind gerätespezifisch. Sie werden im Hauptspeicher des Rechners bereitgestellt, wie die Maschinenbefehle für den Prozessor. Die Daten werden ebenfalls aus dem Hauptspeicher gelesen bzw. in den Hauptspeicher geschrieben. Dazu wird dem E/A-Gerät die Adresse des zu verwendenden Hauptspeicherbereichs im E/A-Befehl mitgeteilt. Dieser Bereich heißt E/A-Puffer. Anmerkung In Rechnern der ersten Generation konnten E/A-Daten oft nur mit dem Akkumulator oder den Registern ausgetauscht werden. Einlesen von Lochkarten mit 80 Spalten. Dazu gebe es zwei Speicherbereiche im Direktzugriff des Kartenlesers: ƒ ƒ den E/A-Puffer, der ein Zeichen aufnehmen kann ein Statusregister, das den Zustand des Kartenlesers anzeigt. Die Zustände sind: Kartenleser aktiv, Kartenmagazin leer (d.h. keine Karte mehr zu lesen), Kartenleser gestört, Lesevorgang erfolgreich. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-20

11 Modul Kartenlesen Beispiel: Kartenleser (2) {Versucht, eine Karte vom Lochkartenleser zu lesen.} Stelle sicher, dass der Kartenleser nicht aktiv und das Kartenmagazin nicht leer ist Veranlasse den Kartenleser, eine Karte zu lesen Solange Kartenleser aktiv ist führe aus Warte, bis Statusregister sich ändert Falls Kartenleser gestört dann Bedienungspersonal benachrichtigen sonst {erfolgreicher Lesevorgang} Übertrage Zeichen vom Puffer zum Ziel im Hauptspeicher Lösche im Statusregister das Bit, das einen erfolgreichen Lesevorgang anzeigt {Die Karte wurde jetzt erfolgreich gelesen, und der Kartenleser ist nicht länger aktiv.} Nachteil: Die CPU ist währen des Lesens ständig belegt (busy waiting)! Erste Verbesserung der E/A Technik: Interrupts Wenn die CPU parallel zum Lesevorgang weiter arbeiten soll, muss eine andere Möglichkeit vorgesehen werden, eine Zustandsänderung des E/A-Gerätes (z.b. "Lesevorgang abgeschlossen") zu melden. Dazu dient der Interrupt (Unterbrechung). Realisierung der Interrupt-Technik Wenn sich der Inhalt des Statusregisters eines E/A- Gerätes ändert, wird der normale Programmablauf der CPU nach Abarbeitung des aktuellen Maschinenbefehls unterbrochen. Es wird zu einer festen Haupt-speicheradresse verzweigt, an der der Interrupt-Handler steht. Der Interrupt-Handler analysiert die Ursache für den Interrupt und leitet die notwendigen Maßnahmen ein. Nach Abschluss der Interrupt-Bearbeitung setzt die CPU das unterbrochene Programm fort. Die Prüfung, ob neue Interrupts gesetzt sind, erfolgt gewöhnlich zu Beginn jedes Ausführungszyklus von Maschinenbefehlen. Ein einzelner Maschinenbefehl ist nicht unterbrechbar. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-22

12 Interrupt-Verarbeitung Zweite Verbesserung der E/A-Technik: DMA Die wichtigsten Schritte bei der Verarbeitung eines Interrupts im Interrupt-Handler sind: Interrupt löschen neue Interrupts dieses Typs vorübergehend ausschließen ("disable interrupt"). So wird verhindert, dass durch dasselbe Gerät der Interrupt-Handler erneut unterbrochen wird. Aufruf einer Interrupt-Routine, die das gerätespezifische Ereignis behandelt. Man beachte, dass Interrupts eines anderen Typs auch während der Interrupt-Behandlung zugelassen sein können (Prioritätsstufen). Anmerkung Außer bei der E/A-Verarbeitung findet die Interrupt- Technik zum Beispiel auch Verwendung in der Zeitscheibentechnik (Timer-Interrupt) bei Hardwarefehlern (Paritätsfehler im Speicher, Stromausfall usw.) als "program trap" (Software Interrupt) bei arithmetischen Überläufen, Division durch Null usw. als "Supervisor Call" (SVC) mit Wechsel vom Benutzermodus zum Systemmodus. Ein Nachteil ist immer noch, dass die CPU für jeden einzelnen Zeichentransfer unterbrochen wird. Es entsteht ein erheblicher Aufwand für die Interrupt-Bearbeitung. Deshalb führt man E/A-Prozessoren ein, die komplexere E/A-Programme selbständig abarbeiten können, ohne die CPU zu unterbrechen. So könnte z.b. eine komplette Lochkarte mit 80 Zeichen in die Speicherstellen eingelesen und erst dann die CPU unterbrochen werden. Die E/A-Prozessoren können parallel zur CPU auf den Hauptspeicher zugreifen, um dort Daten zu lesen und zu schreiben. Daher bezeichnet man diese Technik als DMA (Direct Memory Access). E/A-Prozessoren werden auf Großrechnern häufig auch als Kanäle (channels) bezeichnet. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-24

13 Beispiel: IBM /370-Architektur Maschinenbefehle zur Ein- und Ausgabe Es gibt vier verschiedene E/A - Instruktionen: a) Starten Eingabe/Ausgabe Start Input/Output b) Prüfen Eingabe/Ausgabe Test Input/Output 9C SIO 9D TIO c) Halt Eingabe/Ausgabe Halt Input/Output 9E HIO d) Prüfen Kanal Test Channel 9F TCH 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-26

14 Befehlssatz für eine Plattensteuerung (1) Befehlssatz für eine Plattensteuerung (2) 1. Suchen (Seek) 2. Durchsuchen (Search) 3. Lesen (Read) 4. Schreiben (Write) 5. Steuerung (Control) 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-28

15 Befehlssatz für eine Plattensteuerung (3) "Cycle Stealing" Erläuterungen HA - Home Address (Spuradresse oder auch Hausadresse) ID - Identification (Kennzeichnung) IPL - Initial Program Loading (Programmladen beim Hochfahren des Rechners (bootstrapping)) Paralleler Zugriff auf den Speicher durch CPU (Maschineninstruktionen und Daten) und durch den E/A - Prozessor (E/A-Geräteinstruktionen und Daten) kann zu Konflikten führen. Da das E/A-Gerät meist wesentlich langsamer ist als die CPU, erhält es die höhere Priorität beim Speicherzugriff. Es stiehlt der CPU einen Speicherzyklus ("Cycle Stealing") NOP - No Operation Die Anzahl der in die Operation eingehenden Bytes ist durch den Zähler im CCW (Channel Command Word) festgelegt. Prozessor Arbeitsspeicher Steuerung für Gerät1 Steuerung für Gerät2 Steuerung für Gerät3 Bussteuerung Bus: gemeinsame Verbindungswege für Steuerung und Datenaustausch zwischen den Komponenten Von-Neumann-Rechner, Variante Busarchitektur 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-30

16 Beispiel: Tastaturbehandlung (1) Beispiel: Tastaturbehandlung (2) a) Tastatur beim PC Jeder Tastendruck löst einen Interrupt aus, der von der CPU behandelt wird. Vorteile sofortige Bearbeitung möglich, z.b. in Simulationsprogrammen (Flugsimulator), bei der Menüauswahl (MS Word etc.) leichtes Umdefinieren der Tastenbelegung durch eine Tabelle im Hauptspeicher möglich Ausblenden von Kennwörtern (passwords) durch Ausschalten des Echos möglich Nachteil Zusatzaufwand für Unterbrechungsbearbeitung belastet die CPU bei jedem Tastendruck b) Tastatur eines IBM-Terminals aus der 3270-Familie Ein Puffer im Terminal nimmt die Tastatureingabe auf. Absenden des Pufferinhalts an den Rechner erst beim Drücken der ENTER-Taste (daher der Name!). Vorteil keine Belastung der CPU während des Eintippens daher günstig, wenn viele Terminals gleichzeitig von einem Zentralrechner bedient werden sollen. Nachteil keine unmittelbare programmierte Reaktion auf den Tastendruck möglich Anmerkung Funktionstasten auf einem 3270-Terminal generieren ein nachfolgendes ENTER automatisch. 7. Periphere Geräte Periphere Geräte 7-32