Организация адресного пространства системы ввода/вывода. Совмещенное и выделенное адресное пространство, достоинства и недостатки.
АДРЕСНОЕ ПРОСТРАНСТВО СИСТЕМЫ ВВОДА/ВЫВОДА
Как и обращение к памяти, операции ввода/вывода также предполагают наличие некоторой системы адресации, позволяющей выбрать один из модулей СВВ, a также одно из подключенных к нему внешних устройств. Адрес модуля и ВУ является составной частью соответствующей команды, в то время как расположение данных на внешнем устройстве определяется пересылаемой на ВУ информацией.
Адресное пространство ввода/вывода может быть совмещено с адресным пространством памяти или быть выделенным. При совмещении адресного пространства для адресации модулей ввода/вывода отводится определенная область адресов (рис. 8.2). Обычно все операции с модулем ввода/вывода осуществляются с использованием входящих в него внутренних регистров: управления, состояния, данных. Фактически процедура ввода/вывода сводится к записи информации в одни регистры МВВ и считыванию ее из других регистров. Это позволяет рассматривать регистры МВВ как ячейки основной памяти и работать с ними с помощью обычных команд обращения к памяти, при этом в системе команд ВМ вообще могут отсутствовать специальные команды ввода и вывода. Так, модификацию регистров МВВ можно производить непосредственно с помощью арифметических и логических команд. Адреса регистрам МВВ назначаются в области адресного пространства памяти, отведенной под систему вво-да/вывода.
 
 
Рис. 8.2. Распределение совмещенного адресного пространства
Такой подход представляется вполне оправданным, если учесть, что ввод/вывод обычно составляет малую часть всех операций, выполняемых вычислительной машиной, чаще всего не более 1% от общего числа команд в программе.
     Реализация концепции совмещенного адресного пространства в ВМ с кэш-памятью и виртуальной адресацией сопряжена с определенными проблемами. В частности, усложняется отображение виртуального адреса устройства ввода/вывода на физическое ВУ. Сложности также возникают и с кэшированием регистров МВВ.
     Сформулируем преимущества и недостатки совмещенного адресного пространства.
     Достоинства совмещенного адресного пространства: 
    расширение набора команд для обращения к внешним устройствам, что позволяет сократить длину программы и повысить быстродействие; 
    значительное увеличение количества подключаемых внешних устройств; 
    возможность внепроцессорного обмена данными между внешними устройствами, если в системе команд есть команды пересылки между ячейками памяти; возможность обмена информацией не только с аккумулятором, но и с любым регистром центрального процессора. 
     Недостатки совмещенного адресного пространства: 
    сокращение области адресного пространства памяти; 
    усложнение декодирующих схем адресов в СВВ; 
    трудности распознавания операций передачи информации при вводе/выводе среди других операций. Сложности в чтении и отладке программы, в которой простые команды вызывают выполнение сложных операций ввода/вывода; 
    трудности при построении СВВ на простых модулях ввода/вывода: сигналя управления не смогут координировать сложную процедуру ввода/вывода. Поэтому МВВ часто должны генерировать дополнительные сигналы под управлением программы. 
     Совмещенное адресное пространство используется в вычислительных машинах MIPS и SPARC.
В случае выделенного адресного пространства для обращения к модулям ввода/вывода применяются специальные команды и отдельная система адресов. Это позволяет разделить шины для работы с памятью и шины ввода/вывода, что дает возможность совмещать во времени обмен с памятью и ввод/вывод. Кроме тог:., адресное пространство памяти может быть использовано по прямому назначению в полном объеме. В вычислительных машинах фирмы IBM и микроЭВМ на базе процессоров фирмы Intel система ввода/вывода, как правило, организуется в соответствии с концепцией выделенного адресного пространства.
     Достоинства выделенного адресного пространства: 
    адрес внешнего устройства в команде ввода/вывода может быть коротким. В большинстве СВВ количество внешних устройств намного меньше количества ячеек памяти. Короткий адрес ВУ подразумевает такие же короткие команды ввода/вывода и простые дешифраторы; 
    программы становятся более наглядными, так как операции ввода/вывода выполняются с помощью специальных команд; 
    разработка СВВ может проводиться отдельно от разработки памяти, Недостатки выделенного адресного пространства: ввод/вывод производится только через аккумулятор центрального процессора. Для передачи информации от ВУ в РОН, если аккумулятор занят, требуется выполнение четырех команд (сохранение содержимого аккумулятора, BE из ВУ, пересылка из аккумулятора в РОН, восстановление содержимого аккумулятора); 
    перед обработкой содержимого ВУ это содержимое нужно переслать в ЦП.