Байт-мультиплексный канал

Байт-мультиплексный канал — это тип канала ввода-вывода в вычислительных системах, предназначенный для одновременного обслуживания нескольких медленных или средних по скорости периферийных устройств (например, терминалов, принтеров, считывателей перфокарт) путём разделения времени (мультиплексирования) с передачей данных по одному байту за раз. В отличие от селекторного канала, который обслуживает одно быстрое устройство до завершения обмена, байт-мультиплексный канал позволяет эффективно использовать пропускную способность шины за счёт чередования коротких операций передачи для разных устройств.

История

Концепция байт-мультиплексных каналов возникла в 1960-х годах в рамках развития архитектуры мейнфреймов компании IBM. Первые реализации появились в системе IBM System/360, представленной в 1964 году. В этой архитектуре каналы ввода-вывода были разделены на три типа: мультиплексные (байт-мультиплексные), селекторные и блок-мультиплексные. Байт-мультиплексные каналы предназначались для работы с устройствами, скорость передачи данных которых не превышала нескольких килобайт в секунду.

В 1970-х годах, с развитием более быстрых периферийных устройств и появлением персональных компьютеров, роль байт-мультиплексных каналов снизилась. Однако они продолжали использоваться в мейнфреймах IBM серий System/370, System/390 и z/Architecture до начала XXI века. В современных системах их функции частично выполняются программными драйверами и контроллерами с поддержкой множественных прерываний.

Принцип работы

Байт-мультиплексный канал работает в режиме разделения времени (time-division multiplexing). Канал последовательно опрашивает подключённые устройства, выделяя каждому из них небольшой временной слот для передачи одного байта данных. После завершения передачи байта канал переключается на следующее устройство.

Этапы передачи данных

1. Инициализация: Программа (обычно операционная система) формирует команду ввода-вывода (CCW — Channel Command Word) и передаёт её каналу.
2. Выбор устройства: Канал выбирает одно из подключённых устройств по его адресу.
3. Передача байта: Устройство передаёт или принимает один байт данных через канал в память.
4. Переключение: Канал переходит к следующему устройству, повторяя цикл.

Этот процесс позволяет одновременно обслуживать до нескольких десятков или сотен устройств, каждое из которых работает с низкой скоростью. Например, при работе с терминалами, где скорость ввода данных человеком составляет несколько символов в секунду, канал может эффективно обслуживать сотни таких устройств.

Классификация

Байт-мультиплексные каналы можно классифицировать по нескольким признакам:

По типу подключения устройств

• Встроенные каналы: Интегрированы непосредственно в процессор или контроллер ввода-вывода.
• Внешние каналы: Реализованы в виде отдельных контроллеров, подключаемых к системной шине.

По режиму работы

• Синхронные: Передача данных осуществляется с фиксированной тактовой частотой, синхронизированной с каналом.
• Асинхронные: Передача начинается по сигналу готовности устройства, что позволяет работать с устройствами разной скорости.

По архитектуре

• Одноадресные: Канал обслуживает устройства с одним адресом.
• Многоадресные: Канал может обслуживать устройства с разными адресами, используя механизм приоритетов.

Устройство и характеристики

Структура байт-мультиплексного канала

Типичный байт-мультиплексный канал включает следующие компоненты:

• Управляющий блок: Обрабатывает команды от процессора и управляет последовательностью операций.
• Буфер данных: Хранит один байт данных, передаваемый между устройством и памятью.
• Регистр адреса: Содержит адрес текущего устройства.
• Счётчик команд: Указывает на следующую команду ввода-вывода.
• Интерфейс шины: Обеспечивает физическое соединение с системной шиной.

Характеристики

• Скорость передачи: Обычно от нескольких десятков до нескольких сотен килобайт в секунду (в зависимости от реализации).
• Количество поддерживаемых устройств: От 8 до 256 и более (в мейнфреймах IBM — до 256).
• Задержка переключения: Микросекунды, что позволяет эффективно обслуживать медленные устройства.
• Тип данных: Байт (8 бит) — стандартный размер для большинства периферийных устройств того времени.

Применение

Байт-мультиплексные каналы широко применялись в следующих областях:

Мейнфреймы и серверы

• IBM System/360 и System/370: Основное применение — подключение терминалов, принтеров, считывателей перфокарт и магнитных лент.
• Советские ЭВМ: В системах, совместимых с архитектурой IBM, например, в ЕС ЭВМ (Единая система электронных вычислительных машин), байт-мультиплексные каналы использовались для подключения устройств ввода-вывода.

Промышленные системы управления

• Автоматизация производства: Подключение датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров с низкой скоростью обмена.
• Сбор данных: Использование в системах телеметрии и мониторинга.

Образовательные и научные системы

• Учебные терминалы: В компьютерных классах и вычислительных центрах для подключения множества терминалов к одному мейнфрейму.

Примеры

IBM System/360

В системе IBM System/360 байт-мультиплексные каналы были реализованы в виде отдельных контроллеров, подключаемых к процессору. Каждый канал мог обслуживать до 256 устройств. Например, канал типа 2860 (байт-мультиплексный) поддерживал работу с терминалами IBM 3270 и принтерами IBM 1403.

ЕС ЭВМ (СССР)

В советских ЭВМ серии ЕС (например, ЕС-1035, ЕС-1060) байт-мультиплексные каналы использовались для подключения устройств ввода-вывода, совместимых с IBM. Они обеспечивали работу с перфораторами, считывателями перфокарт и алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ).

Интересные факты

• В архитектуре IBM System/360 байт-мультиплексные каналы могли работать в двух режимах: «байт-мультиплексный» (для медленных устройств) и «блок-мультиплексный» (для быстрых устройств, передающих данные блоками).
• В 1970-х годах байт-мультиплексные каналы были основным способом подключения терминалов в многопользовательских системах, таких как IBM TSO (Time Sharing Option).
• В современных мейнфреймах IBM z/Architecture байт-мультиплексные каналы заменены на более гибкие Fibre Channel и FICON, но концепция мультиплексирования сохранилась в виде виртуальных каналов.

Критика

Основным недостатком байт-мультиплексных каналов является их низкая пропускная способность при работе с быстрыми устройствами, такими как жёсткие диски или современные накопители. Для таких устройств требовались селекторные или блок-мультиплексные каналы. Кроме того, накладные расходы на переключение между устройствами могли приводить к задержкам при большом количестве активных устройств.

Источники

• IBM System/360 Principles of Operation (1964)
• IBM System/370 Principles of Operation (1970)
• ЕС ЭВМ: Архитектура и программирование (1980)
• Tanenbaum, A. S. (2006). Structured Computer Organization.