حدود الإدخال/الإخراج

في علوم الكمبيوتر ، يشير مصطلح "قيد الإدخال/الإخراج" إلى حالة يتم فيها تحديد الوقت المستغرق لإكمال عملية حسابية بشكل أساسي من خلال الفترة المستغرقة في انتظار اكتمال عمليات الإدخال/الإخراج ، والتي يمكن مقارنتها بقيد وحدة المعالجة المركزية . تنشأ هذه الظروف عندما يكون معدل طلب البيانات أبطأ من معدل استهلاكها أو بعبارة أخرى، يتم قضاء وقت أطول في طلب البيانات بدلاً من معالجتها. ^[1]

تم تحديد حالة ربط الإدخال/الإخراج كمشكلة في الحوسبة منذ بدايتها تقريبًا. تتضمن بنية فون نيومان ، التي تستخدمها العديد من أجهزة الحوسبة، حلولاً متعددة محتملة مثل تنفيذ وحدة معالجة مركزية منفصلة منطقيًا والتي بالإضافة إلى تخزين تعليمات البرنامج تسترد أيضًا البيانات الفعلية عادةً من الذاكرة الرئيسية وتستفيد من هذه البيانات الأكثر سهولة في العمل. عند إنهاء العملية، فإنها تكتب النتائج مرة أخرى إلى التخزين الأصلي (عادةً الذاكرة الرئيسية ).

نظرًا لأنه يجب نقل البيانات بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة عبر ناقل له معدل نقل بيانات محدود ، فهناك حالة تُعرف باسم عنق زجاجة فون نيومان . وببساطة، يعني هذا أن نطاق عرض البيانات بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة يميل إلى الحد من السرعة الإجمالية للحوسبة. من حيث التكنولوجيا الفعلية التي يتكون منها الكمبيوتر، يتوقع عنق زجاجة فون نيومان أنه من الأسهل جعل وحدة المعالجة المركزية تقوم بالحسابات بشكل أسرع من تزويدها بالبيانات بالمعدل اللازم ليكون ذلك ممكنًا.

في التاريخ الحديث، أصبح عنق الزجاجة الذي وضعه فون نيومان أكثر وضوحًا. تعتمد فلسفة تصميم أجهزة الكمبيوتر الحديثة على وجود وحدة معالجة مركزية وذاكرة رئيسية منفصلتين فعليًا. من الممكن تشغيل وحدة المعالجة المركزية بمعدل نقل بيانات مرتفع لأن البيانات تنتقل بين المواقع داخلها عبر مسافات صغيرة. ومع ذلك، يتطلب الفصل المادي بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية ناقل بيانات لنقل البيانات عبر مسافات طويلة نسبيًا تبلغ سنتيمترات أو أكثر. كانت مشكلة جعل هذا الجزء من النظام يعمل بسرعة كافية لمواكبة وحدة المعالجة المركزية تحديًا كبيرًا للمصممين. ^[2]

تعتبر حالة تقييد الإدخال/الإخراج غير مرغوبة لأنها تعني أن وحدة المعالجة المركزية يجب أن توقف عملها أثناء انتظار تحميل البيانات أو تفريغها من الذاكرة الرئيسية أو التخزين الثانوي . نظرًا لأن سرعة الحوسبة الأسرع هي الهدف الأساسي لتصميمات الكمبيوتر الجديدة والمكونات مثل وحدة المعالجة المركزية والذاكرة باهظة الثمن، فهناك ضرورة قوية لتجنب حالات تقييد الإدخال/الإخراج والقضاء عليها يمكن أن يؤدي إلى تحسن اقتصادي أكثر في الأداء من ترقية وحدة المعالجة المركزية أو الذاكرة.

مع تزايد سرعة وحدة المعالجة المركزية، تميل العمليات إلى أن تصبح أكثر ارتباطًا بالإدخال والإخراج

أو بعبارات أبسط:

مع تزايد سرعة وحدة المعالجة المركزية، تميل العمليات إلى عدم الزيادة في السرعة بما يتناسب مع سرعة وحدة المعالجة المركزية لأنها تصبح مقيدة بشكل أكبر بالإدخال والإخراج.

هذا يعني أن العمليات المرتبطة بالإدخال والإخراج أبطأ من العمليات غير المرتبطة بالإدخال والإخراج، وليست أسرع. ويرجع هذا إلى الزيادة في معدل معالجة البيانات في النواة، في حين أن المعدل الذي يتم به نقل البيانات من التخزين إلى المعالج لا يزداد معها. ومع زيادة سرعة ساعة وحدة المعالجة المركزية، مما يسمح بتنفيذ المزيد من التعليمات في إطار زمني معين، فإن العامل المحدد للتنفيذ الفعال هو المعدل الذي يمكن به تسليم التعليمات إلى المعالج من التخزين، وإرسالها من المعالج إلى وجهتها. باختصار، تتحول البرامج بشكل طبيعي إلى أن تكون مرتبطة بالإدخال والإخراج بشكل متزايد. ^[3]

لنفترض أن لدينا عملية واحدة مرتبطة بوحدة المعالجة المركزية والعديد من العمليات المرتبطة بالإدخال والإخراج. ومع تدفق العمليات في النظام، قد ينتج السيناريو التالي. ستحصل العملية المرتبطة بوحدة المعالجة المركزية على وحدة المعالجة المركزية وستحتفظ بها. وخلال هذا الوقت، ستنتهي جميع العمليات الأخرى من عمليات الإدخال والإخراج الخاصة بها وستنتقل إلى قائمة الاستعداد، في انتظار وحدة المعالجة المركزية. وبينما تنتظر العمليات في قائمة الاستعداد، تكون أجهزة الإدخال والإخراج خاملة. وفي النهاية، تنهي العملية المرتبطة بوحدة المعالجة المركزية اندفاع وحدة المعالجة المركزية وتنتقل إلى جهاز إدخال وإخراج. يتم تنفيذ جميع العمليات المرتبطة بالإدخال والإخراج، والتي لها اندفاعات وحدة المعالجة المركزية قصيرة، بسرعة وتعود إلى قوائم انتظار الإدخال والإخراج. في هذه المرحلة، تظل وحدة المعالجة المركزية خاملة. ثم ستعود العملية المرتبطة بوحدة المعالجة المركزية إلى قائمة الاستعداد ويتم تخصيص وحدة المعالجة المركزية لها. مرة أخرى، تنتهي جميع عمليات الإدخال والإخراج بالانتظار في قائمة الاستعداد حتى تنتهي العملية المرتبطة بوحدة المعالجة المركزية. هناك تأثير قافلة حيث تنتظر جميع العمليات الأخرى حتى تخرج العملية الكبيرة من وحدة المعالجة المركزية. يؤدي هذا التأثير إلى انخفاض استخدام وحدة المعالجة المركزية والجهاز مقارنة بما قد يكون ممكنًا إذا سُمح للعمليات الأقصر بالعمل أولاً. ^[4]

• مرتبط بوحدة المعالجة المركزية
• مرتبط بالذاكرة