Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Модуль №4
Інформаційний блок
РОЗДІЛ 5. СИСТЕМА ВВОДУ – ВИВОДУ
Тема 5.1. Канали та інтерфейси підсистеми введення - виведення
Ефективність використання обчислювальних можливостей ЕОМ визначається не тільки можливостями її процесора і характеристиками основної пам'яті, але також складом її периферійних пристроїв, їх технічними характеристиками і способами організації їх спільної роботи з ядром (процесор і основна пам'ять) комп'ютера.
При розробці підсистеми введення/виведення повинні бути вирішені наступні проблеми.
Найбільш актуальне вирішення цих проблем для ЕОМ з великою кількістю різноманітних пристроїв.
Основні шляхи вирішення вказаних проблем.
2. Канали введення-виведення
Для розділення функцій управління центральним процесором і периферійними пристроями до складу ЕОМ включаються додаткові пристрої - канали введення-виведення (КВВ), завданням яких є забезпечення взаємодії центрального процесора і ПУ (мал. 10.1).
Мал. 10.1. Схема ЕОМ з каналами введення-виведення.
КВВ включає в свій склад пристрої (регістри), що запам'ятовують, і логічні схеми, які виконують упаковку, розпаковування і підрахунок даних, модифікацію адреси даних і передачу інформації з оперативної пам'яті в периферійні пристрої і у зворотному напрямі. Канал працює під управлінням канальної програми, яка зберігається в спеціально відведеній області основної пам'яті ЕОМ.
Інтерфейс – це сукупність ліній і шин сигналів, електричних схем, а також алгоритмів (протоколів), що здійснюють обмін інформацією між пристроями ЕОМ. Він уніфікує склад і призначення ліній зв'язку, визначає послідовність сигналів при виконанні операцій, тимчасові співвідношення і перехідні процеси в лініях.
Лінії, згруповані за функціональною ознакою або призначенням, називають шинами інтерфейсу. Сукупність всіх ліній утворює магістраль інтерфейсу.
Надійність і продуктивність ЕОМ багато в чому залежать від характеристик інтерфейсів.
Об'єднання окремих підсистем (пристроїв, модулів) ЕОМ в єдину систему грунтується на багаторівневому принципі з уніфікованим сполученням між всіма рівнями — стандартним інтерфейсом.
В даний час не існує однозначної класифікації інтерфейсів. Можна виділити наступні чотири класифікаційні ознаки інтерфейсів:
На мал. 10.2 представлені радіальний і магістральний інтерфейси, що сполучають центральний модуль (ЦМ) і інші модулі (компоненти) системи (М1 ..., Мп).
Мал. 10.2. Радіальний (а) і магістральний (б) інтерфейси.
Класифікація інтерфейсів за призначенням відображає взаємозв'язок з архітектурою реальних засобів обчислювальної техніки. Відповідно до цієї ознаки в ЕОМ і обчислювальних системах можна виділити декілька рівнів сполучень:
- машинні системні інтерфейси;
- локальні шини;
- інтерфейси периферійних пристроїв (малі інтерфейси);
- міжмашинні інтерфейси.
Машинні (внутрішньомашинні) системні інтерфейси призначені для організації зв'язків між складеними компонентами ЕОМ на рівні обміну інформацією з центральним процесором, ОП і контроллерами (адаптерами) ПУ
Локальною шиною називається шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора, і призначена для збільшення швидкодії відеоадаптерів і контроллерів дискових накопичувачів. Вона зазвичай об'єднує процесор, пам'ять, схеми буферизації для системної шини і її контроллер, а також деякі допоміжні схеми. Типовими прикладами локальних шин є VLB і PCI
Призначення інтерфейсів периферійних пристроїв (малих інтерфейсів) полягає у виконанні функцій сполучення контроллера (адаптера) з конкретним механізмом ПУ.
Міжмашинні інтерфейси використовуються в обчислювальних системах і мережах.
До інтерфейсів цієї групи відносяться LPT-, СОМ-, GAME- і MIDI-порти, шини SCSI, USB і FireWire.
Основоположником групи зовнішніх інтерфейсів є послідовний інтерфейс СОМ-порту RS-232C, що прийшов від віддалених терміналів, і використовувався раніше навіть для підключення принтерів.
. Він є максимально простий у реалізації і одночасно забезпечує високий рівень захисту від завад на довгих лініях. Одним із найважливіших застосувань RS-232 стало підключення ведмедики, на зміну якому прийшов стандарт PS/2.
Проте і досі COM порт використовується для управління блоками безперебійного живлення, підключення модемів, деяких фотокамер (переважно застарілих), а також багатьох інших пристроїв. Фізично роз'єм COM-порту 9- або 25-контактний SUB-D роз'єм.
Передача даних по лінії RS-232 відбувається побітно, послідовно один за одним, при чому можлива передача даних в обох напрямах. Передача даних відбувається в асинхронному режимі, кожен пакет даних складається із стартового біта, 8 біт даних та стопового біта, при чому як прийом, так і передача здійснюються з однаковою тактовою частотою. Для зменшення ймовірності помилок інколи у пакет даних включається додатковий біт контролю парності. Амплітуда сигналів досягає величини +/- 12В, що забезпечує високий рівень захисту даних від завад.
BIOS у сучасних комп'ютерах підтримує до 4-х COM портів, для обслуговування яких виділяється лише два переривання. Для СОМ1/COM3 це IRQ 4, для COM2/COM4 - IRQ 3.
Згодом із принтерних інтерфейсів послідовний RS-232C був витиснутий більш продуктивним паралельним інтерфейсом Centronics, реалізованим LPT-портом.
Специфікація IEEE1284 (LPT) визначає параметри паралельного інтерфейсу обміну даними із зовнішніми пристроями комп'ютера. Однонаправлений паралельний інтерфейс для підключення принтерів отримав найменування Centronics. Він об'єднує специфікацію на параметри сигналів, протоколи взаємодії і роз'єми, що використовуються. Інтерфейс Centronics реалізований на сучасних комп'ютерах як SPP (Standard Parallel Port - стандартний паралельний порт). Як роз'єм застосовується DB-25S, що розміщений на окремій планці.
Контроллер паралельного інтерфейсу підтримує 8-бітову шину даних, 5-бітову шину сигналів стану і 4-бітову шину сигналів, що управляють. Зазвичай підтримуються три 8-бітові регістри в просторі введення-виводу і одна лінія запиту переривання. Схемотехніка порту LPT базується на TTL-логіці. Швидкість обміну не вище 150 Кбайт/с при значному завантаженні процесора. Очевидно, що для сучасних пристроїв друку така швидкість абсолютно недостатня.
В міру росту можливостей принтерів, розширення номенклатури і вимог пристроїв уведення (сканери, дигитайзери) і пристроїв із двохнаправленним характером обміну (зовнішні диски, швидкісні модеми) продуктивності зазначених інтерфейсів виявилося недостатньо. Разом з тим виявилося, що підвищити продуктивність зовнішніх інтерфейсів можна зворотним переходам на послідовний інтерфейс, що знімає проблеми виготовлення багатожильних кабелів і багатоконтактних з'єднувачів з нормованими параметрами затримок сигналів. Ці передумови привели до появи послідовних шин USB і FireWire, що вирішують багато проблем підключення комп'ютерної периферії:
USB (Universal Serial Bus) –послідовна шина підключення зовнішніх периферійних пристроїв середньої швидкодії (включаючи клавіатуру, мишу й інші пристрої), що забезпечує двохнаправленну передачу інформації. Двохжильний інтерфейс забезпечує швидкість передачі 1.5 чи 12 Мбіт/с. Пристрої підключаються по топології дерева, використовуючи хаби-розгалужувачі.
Унаслідок недостатньої продуктивності USB для цифрової передачі живого відеозоображення, на її базі був створений високопродуктивна послідовна шина FireWire (IEEE 1394). Цей інтерфейс із продуктивністю від 100 Мбіт/з і вище (до 1,6 Гбіт/с) призначений для підключення дисків, стримерів, сканерів, цифрових відеопристроїв і т.п.
SCSI (Small Computer System Interface, вимовляється «сказі») – інтерфейс системного рівня, стандартизований ANSI. SCSI-шина реалізується у виді кабельного шлейфа, що допускає з'єднання до 8 пристроїв внутрішнього і зовнішнього виконання. До шини можуть підключатися дискові внутрішні і зовнішні нагромаджувачі (вінчестери, змінні вінчестери, CD-ROM, магнітооптичні диски й ін.), стримери, сканери й інше устаткування, що вимагає інтенсивного обміну даними.
Інтерфейс ігрового адаптера (GAME-порту) відрізняється від описаних вище тем, що крім ввода значень дискретних (4 біти) сигналів, використовується для введення й аналогових сигналів (величини опору 4 резисторів). З самого початку порт був призначений для підключення джойстиків і інших ігрових пристроїв уведення, але може використовуватися для підключення й інших датчиків.
У таблиці приведені характеристики основних зовнішніх інтерфейсів.
|
Інтерфейс |
Спосіб передачі |
Максимальна швидкість передачі |
Максимальне віддалення |
Устаткування, що підключається |
|
RS-232C COM-порт |
послідовний |
20 Кбіт/c |
15 м |
Миша, модем |
|
Centronics LPT-порт |
Паралельний |
2 Мбайти/c |
2 м (до 10 м при використанні спец. кабелю) |
Принтери, сканери |
|
Ultra SCSI |
Паралельний |
80 Мбайт/с |
1.5 м |
Накопичувачі, сканери |
|
USB |
послідовний |
12 Мбіт/с |
5 м (при використанні екранованої крученої пари) |
|
|
FireWare |
послідовний |
400 Мбіт/с |
4.5 м |
Накопичувачі, відеоустаткування |
У персональних комп'ютерах, починаючи з AT, клавіатура підключається через роз'єм DIN5 до спеціального контроллера (UPI-Universal Peripheral Interface) на системній платі. У самій клавіатурі є мікроконтролер, який сполучений послідовним каналом з мікросхемою типу 8042 універсальні інтерфейси периферійних пристроїв. Дані по каналу передаються пакетами по 11 битий, з яких 8 біт відведено під власне дані, а інші - під синхронізуючі сигнали, що управляють. Відмітимо, що послідовний інтерфейс клавіатури не сумісний з послідовним інтерфейсом RS-232C.
Інтерфейс РС Card є універсальним для зовнішніх пристроїв, що підключаються до комп'ютера (як правило - портативному). Через шину РС Card під'єднують модеми, модулі пам'яті, контроллери різного типу, мережеві карти і інші компоненти. Не замінимі для портативних комп'ютерів.
COM-порт
Починаючи з далеких IBM-PC найважливішим засобом "спілкування" комп'ютера із зовнішнім світом послідовні псуй інтерфейс яких позначається RS-232. Він є максимально пробачимо у реалізації і одночасно забезпечує високий рівень захисту від завад на довгих лініях. Одним із найважливіших застосувань RS-232 стало підключення ведмедики, на зміну якому прийшов стандарт PS/2.
Проте і досі COM порт використовується для управління блоками безперебійного живлення, підключення модемів, деяких фотокамер (переважно застарілих), а також багатьох інших пристроїв. Фізично роз'єм COM-порту 9- або 25-контактний SUB-D роз'єм.
Передача даних по лінії RS-232 відбувається побітно, послідовно один за одним, при чому можлива передача даних в обох напрямах. Передача даних відбувається в асинхронному режимі, кожен пакет даних складається із стартового біта, 8 біт даних та стопового біта, при чому як прийом, так і передача здійснюються з однаковою тактовою частотою. Для зменшення ймовірності помилок інколи у пакет даних включається додатковий біт контролю парності. Амплітуда сигналів досягає величини +/- 12В, що забезпечує високий рівень захисту даних від завад.
BIOS у сучасних комп'ютерах підтримує до 4-х COM портів, для обслуговування яких виділяється лише два переривання. Для СОМ1/COM3 це IRQ 4, для COM2/COM4 - IRQ 3.
Специфікація IEEE1284 визначає параметри паралельного інтерфейсу обміну даними із зовнішніми пристроями комп'ютера. Однонаправлений паралельний інтерфейс для підключення принтерів отримав найменування Centronics. Він об'єднує специфікацію на параметри сигналів, протоколи взаємодії і роз'єми, що використовуються. Інтерфейс Centronics реалізований на сучасних комп'ютерах як SPP (Standard Parallel Port - стандартний паралельний порт). Як роз'єм застосовується DB-25S, зазвичай розміщуваний на окремій планці.
Контроллер паралельного інтерфейсу підтримує 8-бітову шину даних, 5-бітову шину сигналів стану і 4-бітову шину сигналів, що управляють. Зазвичай підтримуються три 8-бітові регістри в просторі введення-висновку і одна лінія запиту переривання. Схе-мотехника порту LPT базується на TTL-логіці. Швидкість обміну не вище 150 Кбайт/с при значному завантаженні процесора. Очевидно, що для сучасних пристроїв друку така швидкість абсолютно недостатня.