Лекції по інтерфейсах користувача (на укр.яз)

Конспект лекц.doc (4 стор.)
Оригінал


  1   2   3   4
Відкритий міжнародний університет розвітку людини

"Україна"

Конспект лекцій


З дісціпліні Інтерфейсі користувача

З підготовкі бакалавра

Напряму комп'ютерні науки

Спеціальності програмне забезпечення автоматизованих систем


Івано-Франківськ

2007р


З МІСТ


Введення

Розділ 1. Основні принципи побудова систем введення-виведення и

інтерфейсів

1.1. Роль и Місце систем введення-висновка и інтерфейсів в комп'ютері

1.2. Основні принципи організації передачі інформації в обчислювальних системах

1.3. Комп'ютерні комунікації и інтерфейсі

1.4. Сістемні інтерфейсі и шини Розширення

1.5. Інтерфейсі періферійніх прістроїв

1.6. Структура систем введення-висновка

1.7. Основні функції и принципи побудова інтерфейсів.

Розділ 2 Шині Розширення

2.1. Шина ISA

2.2. Шина PCI

2.3. Шина AGP

Розділ 3 Універсальні інтерфейсі періферійніх прістроїв

3.1 Інтерфейс SCSI

3.2 Шина USB

Розділ 4 Комп'ютерний лабораторний практикум

4.1. Шина ISA

4.2. Шина PCI

4.3. Таймер

4.4. Адаптер паралельного інтерфейсу

4.5. Адаптер послідовного інтерфейсу


Введення

При вівченні систем введення-висновка и інтерфейсів необхідно представляті Основні принципи Побудова засобів обчіслювальної технікі, які в основному визначаються тією елементною базою, на якій будуються комп'ютери. З цієї точки зору весь Період розвітку обчіслювальної технікі від Першого комп'ютера до сучасности обчислювальних машин можна Розбита на два етапи. Перший - ції етап до появи сучасности інтегральніх схем и мікропроцесорів. Другий - після їх появи и Почаїв випуску персональних комп'ютерів (ПК).

На Першому етапі комп'ютери розробляліся и виготовляємої на своїй власній елементній базі, їх Пристрої (процесор, ОЗУ, Пристрої Управління і т.п.) малі архітектуру и структуру, властіву Тільки даного комп'ютера, зв'язок Між прилаштувати и вузламі здійснювався за допомог інтерфейсів, вікорістовуваніх Тільки ЦІМ типом обчіслювальної машини. Стандарти застосовуваліся, альо в основному торкає ПУ, а не внутрішніх устроїв. Тому машини різніх фірм булі НЕ сумісні з елементній базі, прибудована и конструктивно. Це відносілося Як до великих, так и до малих обчислювальних машин. Це машини типу IBM 360 (370), DEC PDP-11, БЕСМ-1 (2,6), ЄС ЕОМ-1033 (1040, 1060), СМ-1 (2,3,4), "Урал", "Наїрі "і т.д. Коженов тип комп'ютера БУВ Певної мірою унікальній.

На іншому етапі змінівся принцип побудова обчіслювальної техніки. Вона стала грунтуватися на правілі трьох "М": модульність, мікропрограмміруємость и магістральность. Модуль представляє з себе функціонально повний и конструктивно закінченій прістрій, Що серійно віпускається и програмно (мікропрограмній) кероване (ЩО настроюється). Комп'ютери збіраються на Основі ціх модулів за допомог стандартних каналів зв'язку - інтерфейсів. У цьому випадка модулі (Пристрої) випускають одні фірмі, а виготовляють комп'ютер - Інші. Модулі конструктивно и функціонально різноманітні, альо сумісні по своїх інтерфейсах. Модулі випускають у вігляді мікросхем різного типу (МП, пам'ять, Chipset), знімної Платні (Материнська плата, платне Розширення), різніх тіпів ПУ. Функціонально смороду відповідають тім прилаштувати, які реалізують перетворення, Зберігання и передачу інформації: процесор, ОЗУ, схема Управління, пристрою Введення и висновка і т.п.

На іншому етапі істотно зросла роль стандартізації, без якої розробка и випуск комп'ютерів ставши Неможливо.

Роль и значення систем введення-висновка и інтерфейсів останнім годиною істотно зросла. Це зв'язано, дере за все, з ШВИДКО зростанням продуктівності мікропроцесорів. Частота їх роботи має значення в сотні мегагерц (Pentium III), збільшується їх розрядність: 32, 64, 128, 256 біта. Зростанні місткість оперативних прістроїв, Що запам'ятовуються, досягаючі сотень мегабайт и гігабайт. Зменшується годину доступу ОЗУ, складаючі одініці и долі наносекунд. Збільшується кількість ПУ, Що підключаються до комп'ютера, зростанні їх швідкість роботи. Місткість модуля жорсткіх магнітніх дісків Вже складає десяток гігабайт. Збільшується об'єм графічної інформації, Що віводіться на монітор, широко вікорістовується 3 - мірної графікі, "живе відео".

Всі Це вімагає відповідного збільшення швідкості передачі інформації до сотень мегабайт в секунду и більш и Такої організації взаємозв'язку прістроїв в обчіслювальній сістемі, Яка б виключались Втрати процесорного годині и рівномірно завантажувала б робот ВСІ Пристрої комп'ютера.

Навчальний посібник прісвяченій Розгляд ролі и Місця систем введення-висновка и інтерфейсів в обчислювальних системах, викладу Принципів їх побудова и Функціонування. Воно містіть матеріали про найбільш широко вікорістовувані інтерфейсі ISA, PCI, AGP SCSI, USB, а кож комп'ютерні лабораторні роботи, Що полегшують и допомагають вивченості ціх матеріалів.

Навчальний посібник Призначений для студентів, Що спеціалізуються у області обчіслювальної технікі и програмування. Знання інтерфейсів дозволити Розробник апаратуру більш грамотно підійті до вибор варіанту, відповідного поставленої Завдання. Знання матеріалів цієї допомог необхідні системні інтеграторам. Без ціх знань смороду НЕ зможуть підібраті необхідній набор прістроїв и оптимально об'єднати їх в систему. Відомості навчального посібніка допоможуть системно програмістам при розробці Власний драйверів ПУ або адаптуваті чужі Розробка.

У Основі навчального посібніка лежати курси лекцій "Комп'ютерні комунікації и періферія," Система введення-висновка и інтерфейсі, Що читаються студентам денніх и вечірніх форм навчання МІФІ, а кож матеріали книги Гук М. "Інтерфейсі ПК": Довідник - З. - П.: Пітер-Ком, 1999 и Web-серверів www.ixbt.ru, www.citforum.ru.


Розділ 1. Основні принципи побудова и Функціонування систем введення-виведення и комп'ютерних інтерфейсів


1.1. Роль и Місце систем введення-виведення и інтерфейсів

у комп'ютері

Комп'ютер віконує три Основні функції: перетворення, Зберігання и передачу інформації.

Відповідно до цього комп'ютер умовно діліться на три частин. Процесори, Який Призначений для перетворення інформації. Пам'ять, Що віконує функцію Зберігання інформації. Процесори и оперативно пам'ять звичайна назівають центральним Процесори (ЦП). Засоби передачі інформації, які доцільно розділіті на Дві частин: Внутрішні - систему введення-висновка и Зовнішні - періферійні Пристрої (дів. малий. 1.1а).

Таке розділення засобів передачі інформації дозволяє віділіті ту Частину обчіслювальної системи, Яка реалізує процеси передачі даніх и в значній мірі візначає продуктівність роботи комп'ютера, тобто візначає Його Якість.

Система введення-висновка Призначено для забезпечення передачі інформації Між Електрон прилаштувати при реалізації функцій перетворення и Зберігання даніх І, головне, для зв'язку ціх прістроїв з періферійнімі прилаштувати. Система введення-висновка реалізується за допомог відповідніх апаратних и програмних засобів.

Періферійні Пристрої (ЦП) прізначені для передачі інформації Між комп'ютером и зовнішнім світом (дів. малий. 1.1а). Їх основне призначення полягає в перетворенні різноманіття форм представлення інформації в зовнішньому Світі в електричної сигналі, Що спріймаються прилаштувати комп'ютера и зворотньому перетворення електронного представлення інформації у форми зрозумілі об'єктам зовнішнього світу. ЦП зв'язують з центральним Процесори за допомог системи введення-віводу.





































a) Зовнішні джерела

и спожівачі інформації.

Клавіатура

Мон и тор

М і ш а

Магнітні диски стрічка


Центральний


Друк
процесор



Оперативно

Запам "ятовуючій

прістрій








Діг и ТАЙЗЕР






Графо-

побудовувач

Мікро-

процесор




Сканер









Динам и до






Мікрофон

Оптич ї

З ап а м "ятовуючій прістрій

Пристрої

В і део

Мережа

б)


Переферійні Пристрої




Рис.1.1. Інформаційна Взаємодія комп'ютера и зовнішнього середовища

Часто процеси и Пристрої введення-висновка зводять до поняття "періферія", в результаті з Розгляд знікають питання організації взаємозв'язку прістроїв в комп'ютері и роль цього взаємозв'язку при оцінці Його продуктівності.

Харчування організації введення-висновка інформації в обчіслювальній сістемі іноді надають недостатня УВАГА. Це виробляти до того, Що при оцінці продуктівності системи часто вікорістовують Тільки оцінку продуктівності центрального процесора, а оцінкою системи введення-висновка нехтують.

Це суперечіть здоровому глузду. Очевидно, однією з найбільш правильних оцінок продуктівності системи є година відповіді (годину Між моменту введення Завдання и Отримання результату), Який враховує ВСІ накладні витрати, пов'язані з виконанням Завдання в сістемі, включаючі процеси передачі інформації, тобто Уведення-виведення.

Про важлівість системи введення-висновка говорити кож и ті, Що в Сейчас годину вартість и продуктівність комп'ютерів різного цінового класу від персональних комп'ютерів до суперкомп'ютерів (суперсерверів) візначається в основному організацією систем пам'яті І Вступ-висновка (а кож кількістю процесорів).

Продуктівність процесорів зростанні Із швідкістю 50-100% в рік. ЯКЩО одночасно НЕ поліпшуваліся б характеристики систем введення / вівода, то очевидно розробка нових систем зайшлого б в безвіхідь.

Функції комп'ютера, опісані Вище, реалізуються за допомог прістроїв, які створюються на базі різніх по своєму конструктивному виконан, стандартних ВИРОБІВ, які будемо для спільності Розгляд назіваті модулями, Що серійно випускають. Таким чином, модуль - ції функціонально повний и конструктивно закінченій прістрій.

Прикладами таких модулів можут буті наступні. Інтегральні мікросхемі (мікропроцесорі, мікросхемі Управління, адаптери, мікросхема пам'яті і т.п.). Що Зовнішні запам'ятовуються Пристрої (ВЗП), Що випускають у вігляді модулів жорсткіх и Гнучкий магнітніх дісків, оптичних и магнітооптічніх дісководів. Модулі періферійніх прістроїв (дів. рис 1.1б): моніторі, клавіатурі, Що друкують Пристрої, сканери і т.п. Як окремі модулі вікорістовується платних Розширення, на якіх розташовуються спеціальні мікросхемі и роз'ємі для сполучення з іншімі модулями комп'ютера.

Основою комп'ютера є платною, на якій розташовані МП, пам'ять, основна частина прістроїв системи введення-висновка, таку платну назівають системного або Материнський платою.

При віготовленні комп'ютера модулі з'єднуються Між собою за допомог стандартних конструктивних засобів. Слід підкресліті, Що модулі за швідкістю роботи Дуже різнорідні, годину виконан ними операцій лежить в Дуже широких межах - від доль секунди до наносекунд, тобто міняється на 8 порядків. ЯКЩО Цю швідкість вімірюваті годиною ОБРОБКИ одного слова, тобто годиною Його перетворення, годиною доступу до пам'яті, годиною Його передачі, годиною Введення або висновка, то одержимо наступні цифри: мікропроцесор - от 1 нсек до декількох наносекунд, ОЗУ - від декількох до десятків наносекунд, ВЗП - от сотень наносекунд до сотень мікросекунд, Пристрої введення-висновка - от сотень мікросекунд до доль секунд.

У процесі роботи комп'ютера Йде постійна передача інформації Між модулями. І годину передачі інформації від модуля до модуля істотно впліває на продуктівність роботи комп'ютера, а іноді візначає її.

Велічезна різніця в швидкости роботи взаємозяднаніх модулів створює серйозні труднощі для систем введення-висновка и вімагає віроблення Певної оптимальних рішень, Що забезпечуються мінімізацію простоїв центрального процесора и ПОВНЕ завантаження роботів інших прістроїв при функціонуванні обчіслювальної системи.

Конструктивно комп'ютер, Як правило, представляє з себе системний блок, Виконання у вігляді окремого корпусу, де розташовується системна платна, и декількох періферійніх прістроїв, підключеніх до системного блоку за допомог спеціальніх кабелів и шнурів.

Компонування комп'ютера, тобто з'єднання Всіх модулів Між собою, проводитися з урахування виконан трьох головного Вимоги:

1. Забезпечення максімальної продуктівності роботи комп'ютера в цілому при Малій вартості з урахування годині передачі інформації.

2. Конструктівної простота и мінімальної вартості засобів взаїмосоєдіненій модулів.

3. Возможности підключення максимального числа ЦП и простота Зміни конфігурації ЦП в Період експлуатації комп'ютера.

Розглянемо, Як реалізується взаємозв'язок модулів, з урахування Вище переліченіх Вимоги. Є три Основні Способи з'єднання модулів Між собою (дів. малий. 1.2): "кожен з шкірних, радіальній и магістральній.


А) Кажен з шкірними Б) Радіальній В) Магістральній


Модуль 1 Головний модуль Загільна Магістраль


1

1

2














2

3

1

2

3

3









І нтерфейс Радіальній інтерфейс Магістральній


Інтерфейс


Малий. 1.2. Способи з'єднання модулів


При з'єднанні типу "кожен з шкірними" взаємозв'язок модулів Ні чім не обмежен через велічезну кількість ліній зв'язку, тому легко виконують вимоги вісокої продуктівності, альо Решта Вимоги реалізуваті не можна Із-за складності взаємніх з'єднань. Того цею спосіб на рівні модулів НЕ вікорістовується.

Радіальній - при цьому способі є головний модуль, з яким пов'язані ВСІ Інші и смороду можут взаємодіяті Між собою Тільки через головний модуль, Що кож зніжує продуктівність, альо менше Ніж при магістральному способі. Такий спосіб з'єднання ефективного для з'єднання модулів, які у основному Працюють Тільки з Головня. Гідність - простота каналів зв'язку шкірного модуля, Що дозволяє збільшуваті їх довжина Багато Більше, Ніж у магістральніх. Радіальній спосіб дозволяє до одного роз'єму підключаті Всього Одне ЦП або, при відповідній організації каналу, декілька ЦП. Цей спосіб кож знайшов Широке застосування в комп'ютер.

Магістральній - ції спосіб, коли ВСІ модулі взаємодіють через Загальну Магістраль. ВІН є найбільш простим по реалізації, альо зніжує продуктівність, оскількі ВСІ модулі ділять Магістраль Між собою. До недоліком цього способу можна віднесті кож и ті, Що вісокошвідкісні магістралі все ж таки дороги и можут буті реалізовані Тільки при їх обмеженій довжіні. При певній організації взаємозв'язку, магістральній спосіб дозволяє до одного роз'єму під'єднаті декілька ЦП. Цей спосіб найшірше вікорістовується в комп'ютер.

Взаємозєднання модулів в комп'ютері, за допомог розглянутіх Вище способів, можливости Тільки при певній уніфікації ціх з'єднань. Засоби и правила, Що забезпечуються взаємозв'язок модулів Між собою, назіваються інтерфейсом. Головна Вимоги до інтерфейсів - їх стандартизація. Тільки Використання стандартних інтерфейсів Може Забезпечити масовий випуск комп'ютерів и їх ефективне виробництво и експлуатацію. Саме інтерфейсі визначаються ті правила, за якіх будуються канали передачі інформації Між модулями обчіслювальної системи. Фізічно інтерфейс реалізується у вігляді електричних ліній для передачі сігналів и набору мікросхем, Що забезпечуються виконан основних функцій інтерфейсу.

У інтерфейсі стандартізуються наступні Параметри:

1. Структура інтерфейсу, тобто кількість и призначення ліній інтерфейсу.

2. Параметри електричних сігналів в лініях.

3. Протоколи обміну інформацією в інтерфейсах, циклі (команди) інтерфейсу, Що реалізовуються у вігляді Тимчасових діаграм сігналів, залежних від архітектури и структури інтерфейсу.

4. Конструктівні Параметри інтерфейсу.

Таким чином, стандартний інтерфейс - ції сукупність уніфікованіх апаратних, програмних и конструктивних засобів и правил, необхідніх для реалізації взаємодії різніх функціональніх елементів в автоматичності системах збору и ОБРОБКИ інформації.

У допомозі в основному розглядаються структура и протоколи роботи інтерфейсів.


1.2. Основні принципи організації передачі

інформації в обчислювальних системах

У процесі роботи комп'ютера передача інформації поодінці и того ж інтерфейсу в один и тієї ж момент годині Йде Тільки Між двома прилаштувати (модулями) за принципом "крапка-крапка". При цьому Один з прістроїв є активним (ведучим, задатчиком), Інше - пасивний (віконавцем, відомім). Активний прістрій почінає процедуру обміну и управляє нею. Пасивний прістрій віконує розпорядження активного. У комп'ютері одні Пристрої Завжди є за датчиками (активність), Інші Тільки віконавцямі (пасивний), треті в Різні моменти годині можут буті Як задатчиками, так и віконавцямі. Процесори Завжди активний прістрій, оперативна пам'ять (ОЗУ) - пасивний прістрій. Періферійні Пристрої при роботі з Процесори є віконавцямі, а при роботі з ОЗУ (прямий доступ до пам'яті) - задатчиками. Можлива передача Між двома ПУ, тоді Одне - задатчик, Інше - виконавець (дів. рис.1.3).


Задатчик Віконувач

ведучий відомість

(Master) (Target)


Активний

Прістрій

Пасивний

прістрій


а)

Дані


Процесори (Пр.) Оперативна

пам "ять (ОЗ П)

Периферія и йн ий Періферійній

при стрі ї при трій (ПП)


Команда Програма (драйвер)


Прістрій

управлінія

Прістрій

управлінія




б) в)


Процесори

Оперативно запом 'ятовуючій прістрій


пристрій

Центральн і ї

процесор

Периферія и йн ий при стр ій




Данні Данні


Рис.1.3. Управління обміном інформації

Таким чином, пасивний прилаштувати є або ОЗУ, або ЦП. З боку процесора Засоба Управління цімі двома типами прістроїв істотно Різні. Це обумовлено тім, Що для передач Процесори-ОЗУ наперед відомі ВСІ тіпі и Параметри прістроїв, які повінні з'єднуватися Між собою, оскількі ці Пристрої однотіпні, тоді Як ЦП істотно розрізняються, Як по затрімці, так и по пропускній спроможності. Крім того, процес Управління ЦП набагато складніше и вімагає більшого годині и урахування спеціфікі роботи.

Тому Управління передачею Процесори-ОЗУ реалізується в рамках однієї комп'ютерної команди на рівні мікрокоманд (дів. малий. 1.3б), а Управління процесом введення-висновка з урахування спеціфікі ЦП за допомог спеціальної підпрограмі, Яка назівається драйвером и містіть Як команди комп ' ютера, так и команди Управління, спеціфічні для шкірного типу ЦП (дів. ріс.1.3в). Тому інтерфейс, Що зв'язує Пристрої при передачі даніх винен враховуваті ці Особливості.

Передача інформації від задатчика до віконавця реалізується операцією запису, а Зворотна - операцією читання. Процес передачі Між ЦП и ЦП назівають введенням-висновка інформації.

Введення реалізується за допомог Операції читання, а Висновок - операцією запису.

ЯКЩО на процесор покласти функції Управління введенням-висновка, то у нього не вистача годині для виконан своєї головної функції - перетворення інформації. Це обумовлено широким діапазоном швидкостей роботи ЦП, складністю їх Управління и великою різноманітністю и кількістю різніх ЦП (дів. ріс.1.1б).

Для мінімізації завантаження процесора при віконанні процесів введення-висновка функції Управління розподіляються на декілька прістроїв: процесор, головний контролер (канал) введення-висновка, контролер ЦП и блок Управління ЦП.

Головний контролер и Контролери різного типу ЦП разом з відповіднім Програмне забезпечення утворюють систему введення-висновка.

Процесори, головний контролер, контролер ЦП знаходяться в системному блоці, а блок Управління ЦП - в самому періферійному Пристрої, у ряді віпадків контролер ЦП Може знаходітіся в самому ЦП. Такий Розподіл дозволяє оптімізуваті завантаження шкірного увазі прістроїв властівімі йому функціямі при мультіпрограмному режімі роботи комп'ютера. Це відбувається за рахунок Поєднання в часі роботи різніх по функціях прістроїв. Функціональна схема передачі інформації в комп'ютері показана на рис.1.4.


Системна І нтерфейс

шина периферія и йн і х

при будів ї в

Система

Уведенню-віводу


Центральний Голавній Контролер Періферійні

Процесори контролер інтерфейсу

(Канал) введення у-у і вод у при будів ї


Процесори
уведенню-віводу (ПУ)


Схема

Управління

Схема

Управління

Схема

Управління
2 3 8







4


Оперативно

Запом "ятовуючій Прістрій


Вектор

перерівання


Драйвер

Данні


Регистр

стану

Регистр

стану

Регистр

стану
1 серпня




5



Регистр

управлінія

Регістр

управлінія

Регістр

управлінія
6 7 9 9




6



Регистр

даніх

Регистр

даніх

Регистр

даніх
10 10 10 10







I II III IV


Системний блок


1. Стан головного контролера 7. Команда головного контролера
2. Команда введення-висновка 8. Стан періферійніх прістроїв
3. Адреси контролера введення-висновка 9. Наказ періферійному пристрою
4. Стан контролера на виконання Операції
введення-висновка введення-віводу
5. Адреси вектора перерівання 10. Виконання Операції
6. Команда драйвера введення-віводу

Малий. 1.4. Функціональна схема організації передачі інформації вкомп'ютері


Операцій введення-висновка почінає процесор, відаючі в головний контролер введення-висновка відповідну команду (2). Заздалегідь, за допомог слова стану каналу, процесор винен переконатіся, Що ВІН готовий до роботи (1).

Канал пріступає до Управління введенням-висновка за допомог спеціальної Програми каналу. Після Чого процесор відключається від процесу введення-висновка и функції Управління пріймає на собі канал.

Канал, після аналізу слова стану (4) відповідного контролера про Його готовність, передає йому наказ (команду каналу) (6,7), Що управляє, и Може переходіті до роботи з контролером іншого ПУ. Контролер ПП пріймає естафету Управління введенням-висновка, формує и передає в блок Управління ПУ необхідній код (сигнал) (8,9), Що управляє, одержавши Який ПУ переступає до процесу передачі даніх (10).

Як віпліває з Розгляд (дів. рис.1.4), Коженна Рівень Управління введенням-висновка винен мати регістрі Управління, стану и даніх для реалізації своїх Дій по передачі інформації.

При реалізації Такої багаторівневої системи Управління введенням-висновка для зв'язку прістроїв Між собою вікорістовується два види інтерфейсів: сістемні інтерфейсі (Внутрішні) для взаємозв'язку модулів в системному блоці и Зовнішні інтерфейсі ЦП (інтерфейс періферійніх прістроїв) для під'єднування ЦП до системного блоку (дів. рис.1.4)

Для ОБЛІКУ особливая реалізації процесів введення-висновка и спеціфікі різного типу ЦП вікорістовуються три режими введення-висновка інформації: програмне Уведення-виведення, Уведення-виведення в режімі перерівань и з прямим доступом до пам'яті.

Інтерфейсі повінні враховуваті можлівість реалізації Всіх 3-х режімів введення-висновка.

Програмне Уведення-виведення. Тут ініціалізація и Управління процесом введення-висновка здійснює процесор. Є три способи Його виконан (дів. рис.1.5).


а) Прямий-для б) умовно Із в) умовно Із


ВВ

ВВ
синхронно ПП Заняття циклу заміщенням

Ні Ні


Так Так

ВВ


Рис.1.5. Програмне Уведення-виведення

Перший спосіб - прямою, вікорістовується для синхронного ЦП, тобто прістроїв, які Завжди готові до роботи и ціклів Очікування НЕ вімагається. Другий - умовний Із Заняття циклу, коли при не готовності ЦП, процесор чекає до тихий пір, Поки наступити Його готовність. Третій - умовний з поєднанням. На відміну від Попередня, процесор НЕ чекає готовності ЦП, а переходити до продовження Програми з періодічною перевіркою готовності ЦП.

Уведення-виведення в режімі перерівань. У цьому випадка ініціатором Почаїв процесу введення-висновка є ЦП. Воно, коли готове, подає сигнал Процесори "запит на перерівання". Процесори, ЯКЩО ЦП дозволянь такий режим, завершує потокової команду и переходити до виконан процесу введення-висновка (дів. малий. 1.6). Спочатку ВІН здійснює контекстне перемикань, тобто запам'ятовує Свій стан, щоб можна Було після продовжіті програму, ідентіфікує ЦП и передає Управління драйверу даного ЦП (ПП), Який и здійснює Введення або виведення інформації. Ідентіфікація ЦП проводитися за допомог адреси вектора перерівання, Який містіть номер осередку, де зберігається перша команда цього драйвера. Адреси вектора перерівання ЦП передається Процесори от контролера перерівань (дів. рис.1.4, сигнал 5).


.



Вибір

команди

Дешіфрування и виконан

команди

Інкрементування

лічільніка команд

Завершення поточної

команди

Контекстна

перемикань

Ідентіфікація ЦП

з максимальним

пріорітетом

ПП1

ПП n

Контекстна

перемикань



Ні

Так


Ні


Так


Рис.1.6. Ввід-вивід у режімі перерівання

Слід зазначіті два моменти. По-перше, ЦП повинності мати, попередня встановленного Дозвіл на роботу в режімі перерівань. По-друге, можліві колізії, коли декілька ЦП віставляють Процесори запит перерівання. Ця колізія дозволяється за допомог механізму Завдання рівня пріорітетів для шкірного ЦП. Можлива організація вкладень перерівань, коли ЦП з більшім пріорітетом переріває роботу ЦП з меншим пріорітетом. Всі ці моменти винен ураховуваті стандарт на інтерфейс.

Прямий доступ до пам'яті (дів. рис. 1.7). Цей режим вікорістовується для вісокошвідкісніх ЦП, Що мают швідкість передачі Більше 50 Кбіт / сек. У цьому режімі активним прістроєм є контролер прямого достуЦП до пам'яті (КПДП). Процесори, одержавши від КПДП заявку на прямий доступ, переріває свою роботу й відключається від інтерфейсу, передаючі Його задавачу, тобто КПДП. Процесори при цьому НЕ віконує контекстного перемикань, а може продовжуваті свою роботу, ЯКЩО Вона не вімагає інтерфейсу. Керування інтерфейсом переходити до КПДП, Що за допомог виконан операцій читання й записи передає інформацію Між ОЗУ ї ЦП з відповіднім Завдання адресу пам'яті. У цьому режімі вікорістається механізм Завдання рівня пріорітетів для тихий ЦП, які Працюють Із прямий доступ до пам'яті. Цей режим кож винен буті Передбачення в інтерфейсах.

Слідуючі з віщевікладеного, канал вводу-віводу (головний контролер) реалізує функції Керування Загальні Для всіх ЦП, а контролер зовнішнього інтерфейсу враховує спеціфіку інтерфейсу, Що зв'язує Його з відповідної ЦП.

У КОМП'ЮТЕР, які Працюють Із малою інтенсівністю уведенню-віводу, головний контролер (канал) уведенню-віводу звичайна відсутній, а Його функції бере на себе мікропроцесор. У цьому випадка процесор працює безпосередню з контролером вводу-віводу ЦП, Що спрощує структуру комп'ютера.

При роботі з вісокошвідкіснім ЦП звичайна вікорістається режим прямого досту ЦП до пам'яті. Для цього режиму апаратно реалізується Спеціальний канал вводу-віводу у вігляді КПДП.

Запит від ЦП

до КПДП

Формування

адреси

Модіфікація

адреси



Ні

Так


Ні

Так

продовження
Програми

Передавання даніх

Рис. 1.7. Режим прямого доступу до пам'яті


Вікладеній у даного розділі материал, Дає можлівість зрозуміті, Чому інтерфейсі мают таку структуру, функції й протоколи роботи.


1.3. Комп'ютерні КОМУНІКАЦІЇ Й ІНТЕРФЕЙСІ


Інтерфейсі, вікорістовувані при побудові обчислювальних систем, Досить різноманітні й розрізняються Між собою за Певної крітеріямі ї характеризують поруч властівостей и параметрів. В області інтерфейсів існує своя термінологія, Що задається тимі або іншімі визначеня ї Поняття, які з розвитку комп'ютерної техніки Постійно трансформуються, Що віклікає необхідність розглядаті їх у певній ретроспектіві.

Коротко Зупинимо на деяки Поняття и визначеня.

Канал - середовище передачі інформації, Що представляє у вігляді Певної сігналів. Канал реалізується за допомог тихий або інших засобів, Що залежався от фізічної природи сігналів (струм, Напруга, радіосігнал, оптичні сигнал і т.п.). Комп'ютерний інтерфейс є каналом передачі інформації за допомог електричних сігналів (імпульсів и потенціалів).

Лінія інтерфейсу - ції електричних провідник (проведення, лінія Друкований монтажу, контакт рознімання плати), по якому пошірюється електричних сигнал.

Магістраль - ції сукупність Всіх ліній інтерфейсу.

Шина - група ліній інтерфейсу, Що відповідає Певної функціональному призначення (шина даніх, шина адреси ї т.п.)

Надалі Термін "Магістраль" стали заміняті терміном "шина". У свою Черга поняття "шина" стало в певній Мері сінонімом терміна "інтерфейс", хоча Поняття шини Більше вузька, чім Загальне Поняття інтерфейсу.

У КОМП'ЮТЕР, Із причин, вікладенім Вище, система вводу-віводу будується на Основі магістральніх и радіальніх способів з'єднання модулів (прістроїв), оформлену у вігляді стандартних інтерфейсів, названих відповідно магістральнімі ї радіальнімі.

За способі передачі інформації інтерфейсі діляться на паралельні й послідовні. Розряда даніх можут передаватися в інтерфейсах одночасно, тобто паралельно. Такі інтерфейсі назіваються паралельних, и смороду мают шину даніх Зі скількох ліній, скількі розрядів передається одночасно. При передачі даніх по одній Лінії послідовно розряд за розряда, інтерфейс назівають послідовнім.

Здається очевидним, Що при одній и тій же швідкості роботи ліній інтерфейсу, пропускна здатність паралельного інтерфейсу Вище, Ніж у послідовного. Однак підвіщення продуктівності за рахунок збільшення тактової частоти передачі й кількості ліній даніх упірається у хвільові Властивості сполучніх кабелів. Затримка сігналів у різніх лініях не однаково, и Це особливо позначається при збільшенні довжина ліній, Що вімагає для надійної передачі даніх Додатковий Тимчасових ї апаратних витрат, стрімуючі ЦІМ ріст пропускної здатності паралельного інтерфейсу. Крім того, у паралельних інтерфейсах Зі збільшенням числа паралельних ліній ї їхньої довжина сутужніше реалізуваті компенсацію перешкод, Що навідні за рахунок електрічної взаємодії ліній Між собою.

У послідовніх інтерфейсах є Свої Проблеми підвіщення продуктівності, альо ТОМУ ЩО в них вікорістається менше число ліній, підвіщення пропускної здатності каналу зв'язку обходитися ДЕШЕВШЕ.

Того Важливим параметром інтерфейсів є пріпустіме відалення прістроїв, Що з'єднують. Воно візначається Як Частотний властівостямі, так и перешкодозахіщеністю вікорістовуваніх каналів зв'язку.

Для інтерфейсу, Що з'єднує два Пристрої (модуля), розрізняються три можливости режими обміну: дуплексне, напівдуплексній и симплексний.

Дуплексний режим дозволяє по одному каналі зв'язку, альо маючи Дві групи ліній "Туди" ї "назад, одночасно передаватися інформацію в обох навпростець. ВІН Може буті асіметрічнім, ЯКЩО пропускна здатність у напрямку "Туди" ї "назад" має істотно розрізняється значення, або симетрично. Напівдуплексній режим дозволяє передаватися інформацію з тім самим ліній "Туди" ї "назад" по черзі в Різні моменти годині, при цьому інтерфейс має Засоба перемикань напрямків каналу. Симплексний (однобічній) режим передбачає Тільки один напрямок передачі інформації (у зустрічному напрямки можут передаватися Тільки Допоміжні сигналі інтерфейсу).

Всі модулі усередіні системного блоку, а Це Електронні модулі (мікропроцесор, оперативна пам'ять, контролери вводу-віводу ї т.д.), з'єднуються Між собою за допомог так називані внутрішнього інтерфейсу, Що є паралельних и побудованого по магістральному способі. Внутрішні інтерфейсі прізначені для Швидкого зв'язку на Короткі відстані. Причому Важливим НЕ Тільки скроню пропускну здатність, альо ї малий годину доступу активного пристрою до віконавця.

ЦП з'єднуються Із системного блоку по радіальніх або магістральніх інтерфейсах, послідовнім и паралельних, називані зовнішнімі. Рознімання системного блоку, Призначений для Приєднання до нього зовнішнього інтерфейсу ї відповідні йому Електронні схеми, назівають портом вводу-віводу.

Тому що через внутрішній інтерфейс з'єднуються в систему ВСІ модулі комп'ютера, цею інтерфейс стали назіваті системного інтерфейсом (системний шиною). Хоча надалі Це Поняття Трохи змінілося, Про що мова йтіме ніжче. Зовнішні інтерфейсі стали назіваті малімі інтерфейсамі або інтерфейсамі періферійніх прістроїв (дів. малий. 1.4).

Важливим відмітною властівістю інтерфейсів є топологія з'єднання модулів (прістроїв) Із шиною інтерфейсу.

Шині внутрішніх інтерфейсів, будучи паралельних и магістральнімі, розміщуються на сістемній (матерінської) платі, а взаємоз'єднувальні модулі є Електрон, виготовлення у вігляді мікросхем або плат Розширення (процесор, ОЗУ, ROMBIOS і т.п.), тому Коженна модуль має Своє власне з'єднання Із шиною. Це з'єднання реалізується різнімі способами: Друкований монтажем, за допомог слотів, сокетів и рознімань. Причому пріпустіме відалення модулів друг від друга мало й візначається розмірамі матерінської плати.

Слот (Slot) являє собою щілінне рознімання, у Який уставляється яка-небудь друкована плата. Слот Розширення (Expansion Slot) - ції рознімання сістемної шини, Куди уставляється плата або карта Розширення (Expansion Card).

Платою (картою) Розширення назівають Друкований плату Із Крайова розніманням, установлювану в слот Розширення, сплачуй, Що забезпечуються Додатковий інтерфейс, назівають інтерфейснімі картами (Interface Card)

Сокет (Socket) гніздо, у його призначення та встановлюється мікросхема.

Зовнішні інтерфейсі ЦП мают Більше різноманітну топологію. Для радіальніх інтерфейсів - ції двох точкових топологія: порт системного блоку - рознімання ЦП (шини RS-232, Centronics) або топологія типу дерева (шини USB). Двох точковая топологія дозволяє до порту підключаті Тільки Одне ЦП. При деревоподібній топології основою (коренем) дерева є порт вводу-віводу комп'ютера, а ЦП можут буті або кінцевім прістроєм, або новим центром розгалуження. Ця топологія дозволяє підключаті безліч прістроїв до одного порту комп'ютера.

Для магістральніх інтерфейсів вікорістається шлейфового топологія (шини SCSI). При шлейфовій топології шина підключається до одного порту комп'ютера, а от нього послідовно проходити по Всім ЦП. У ЦП Одне рознімання підключається до Попередня ЦП (перший - до порту вводу-віводу), а Інше рознімання шини вікорістається для підключення Наступний ЦП, ЯКЩО Його Ні, ті до цього рознімання підключається термінатор (погоджуюча схема). У цьому випадка, Як правило, контролер зовнішнього інтерфейсу розміщається в самому ЦП, а шиною SCSI управляє головний контролер (адаптер), Що Фактично є каналом вводу-віводу (дів. малий. 1.4).

1.4. СІСТЕМНІ ІНТЕРФЕЙСІ Й Шині Розширення


Основою вісокої продуктівності обчіслювальної машини будь-якого типу є центральний процесор (ЦП), Що Складається з мікропроцесора (МП) i оператівної пам'яті, зв'язаних шиною передачі інформації. Із ціх трьох складових візначальної є МП, ТОМУ ЩО ВІН перетворилися інформацію ї управляє передачею даніх. Процесори - активний прістрій, а ОЗУ ї шина - пасівні. ЯКЩО позначіті швідкість роботи МП - U МП, ОЗУ - U ОЗУ, а шини - U Ш, то Найкращий (оптимальний) співвідношенням швидкостей буде U МП ≤ U ОЗУ ≤ U Ш. Пропускна здатність шини поклади від її розрядності, частоти роботи й числа сінхроімпульсів на передачу одного слова.

Тому Внутрішні шини ділять на шини, Що забезпечуються зв'язок процесора з пам'яттю ї шини вводу-віводу. Шині процесор-пам'ять порівняно Короткі, звичайна вісокошвідкісні ї відповідають організації системи пам'яті для забезпечення максімальної пропускної здатності каналу пам'ять-процесор. Такі шини стали назіваті системними шинами, а колішнімі сістемні - шинами уведенню-віводу. Шині уведенню-віводу довші ї можут підтрімуваті Приєднання багатьох тіпів прістроїв и звичайна випливають одному Зі стандартів. Шині уведенню-віводу стали назіваті шинами Розширення, маючи на увазі ті, Що ця шина Як бі розшірює системну шину з подивимось кількості прістроїв, Що підключають. ЦП прієднують до шини вводу-віводу за допомог інтерфейсів ЦП, які, Як правило, стандартізовані.

Шинам процесор-пам'ять заздалегідь відомі ВСІ тіпі й параметр прістроїв, які повінні з'єднуватися Між собою, шина вводу-віводу має впоратися Із прилаштувати, Що розрізняються по затрімці ї пропускній здатності.

Розглянемо, Як змінювалася пропускна здатність сістемної шини (Мп-пам'ять) перелогових від швидкостей роботи МП и пам'яті.

У табліці 1 наведені деякі характеристики мікропроцесорів фірмі Intel, розташованіх по роках, починаючі з 1978р., Року появи ПК.


Таблиця 1


Тип

МП

Частота

Мгц

Шина

даніх

розр.

Шина адреси

розр.

Рік

віЦПску

розр.

Внутр. КЕШ

Кбайт

i8080, i8088

i8086

4,77; 8; 10

8,16

20

1978

-

i80286

6 -25

16

24

1982

-

i80386

16,20,25,33,40

16,32

24,32

1985

-

i486

16 - 66

32

32

1989

8,16

i486Dx2 (4)

40-120

32

32

1992

16

Pentium

(Pro, MMX)

60 - 200

64

32

1993

2x8

2x16

Pentium II

233,266,300

64

32

1997

2x16

Pentium III

299,322

128

32

1999





У табліці 2 дані характеристики пам'яті (година доступу) i сістемної шини процесор-пам'ять (частота шини даніх, максимальна ї реальна пропускна здатність). Під пропускною здатністю розуміють швідкість передачі по шіні, вімірюваної кількістю байт у секунду. Як видно з табліці 1, Тактова частота МП Із 1980р. зросла в 60 разів. За теж годину частота, на якій працює системна пам'ять Зі сторінковою організацією (FPM), зросла у 5 разів. Застосування EDORAM ї SDRAM збільшіло продуктівність пам'яті Всього в 10 разів. Таким чином, Між продуктівністю МП и пам'яті утворівся розрив.


Таблиця 2



Тип

пам'яті

Частота

шини

даніх

Мгц

Розряд-ність

шини

даніх

Максимальна

проЦПскна

здатність

Мбайт / з

Обсягах

Година достуЦП

нс

Реальна проЦПскна

здатність

Мбайт / с

SRAM

Кеш-пам'ять

1-го рівня


75-166


32


300-667


16 Кбайт


5-10


300-667

SRAM

Кеш-пам'ять

2-го рівня


50/60/66


64



400/480/582

250Кбайт -

1Мбайт


15


200/528

FPM DRAM

EDO DRAM


50/60/66


64


400/480/582


8-256 Мбайт


40-70


100-264

SDRAM

100/200

64

582/800




6-8

528/800

RDRAM

100/200

64

800/1600

32-1000 Мбайт

2,5

800/1600


Із цієї табліці кож видно, Що частота роботи сістемної шини, Що з'єднує МП и пам'ять, зросла в 8 разів и досягла 66 Мгц. У перспектіві планується Збільшити Цю частоту до 100, 133, 200 Мгц.

Альо разом з тім ці цифри показують, Що є Постійний розрив Між частотою роботи МП и частотою сістемної шини, Кратність співвідношення ціх частот, починаючі Із МП i486 становіть 1,5; 2; 2,5; 3.

Для підвіщення пропускної здатності сістемної шини збільшують її ширину, тобто число одночасно надіс байт. За весь Період число розрядів шини даніх збільшівся з 8 до 64. Всі ці мірі довели пропускну здатність сістемної шини до 528 Мбайт / сек, у перспектіві воно зроста до 800, 1600 и Більше Мбайт / сек. Це збільшення зв'язане кож з з'являться нових технологій пам'яті заснованіх на синхронних DRAM: SDRAM II (DDR), SLDRAM и принципова новій архітектурі пам'яті RAMBUS (RDRAM, Concurrent, RAMBUS, Direct RAMBUS).

Щоб МП не простоював, вікорістають Додатковий вісокошвідкісну Кеш-пам'ять на Основі SRAM, розташовувану Як на крісталі МП (Кеш-пам'ять 1-го рівня), так и поза кристалів (Кеш-пам'ять 2-го рівня). В останніх МП типу Pentium II Кеш-пам'ять 2-го рівня розташовується в одному корпусі Із МП, Що дозволяє збільшуваті частоту роботи шини зв'язку цієї пам'яті з ядром МП.

Продуктівність ї Якість роботи комп'ютера візначається НЕ Тільки скроню швідкістю центрального процесора и ємністю ОЗУ, альо ї швідкістю и якістю роботи ЦП. Дуже Важливим є Такі параметри, Як ємність, годину доступу, швідкість передачі даніх у зовнішніх запам'ятовувальніх прістроїв, можлівість відображення на екрані Монітора трівімірної графікі Зі складаний її перетвореності в реальному масштабі часу, показ "живого відео" і т.п. Тому в комп'ютері Потрібна організація оптімальної взаємодії Цпр и ЦП, чім и займаються шини вводу-віводу.

Розглянемо їхній Розвиток и трансформацію, починаючі з дере комп'ютерів IBM PC. Варто підкресліті, Що Розвиток шин вводу-віводу йшлось таким чином, щоб зберегтись наступність Із раніше розроблення й випуска апаратно ї програмное Засоба.

Важливим властівістю інтерфейсів вводу-віводу є Підтримка режиму авто конфігурації (Plug and Play). При конфігурації систем, шкірному ЦП задається Певний Рівень перерівань и діапазон адресу для регістрів цього пристрою. Цей процес вімагає годині ї певної кваліфікації користувача. Введення режиму Plug and Play автоматізує цею процес, істотно полегшуючі конфігурування з підключенням нового ЦП.

У табліці 3 наведені характеристики шин вводу-віводу (шин Розширення), вікорістовуваніх у персональний комп'ютер типу IBM PC ї ін. типом, починаючі з початку 80-х років. У табліці наведена пікова пропускна здатність (теоретично можлива), реальна пріблізно в 2 рази ніжче за рахунок перерівань, регенерації, протокольних процедур. Пропускна здатність поклади від частоти роботи шини, розрядності шини даніх и кількості тактів на передачу одного слова. Шина вікорістає ВСІ Свої возможности, ЯКЩО слово передається за один сінхроімпульс шини.


Таблиця 3


Шина

ПроЦПскна здатність

Мбайт / сек

Автокон-фігурація

Розряд-ність даніх

Розрядність адреси

Частота МГц

ISA-8

4

-

8

20 (1 Мбайт)

8

ISA-16

8/16

-

16

24 (16Мбайт)

8/16

EISA


33,3

+

32

32 (4 Гбайт)

8,33

MCA-16

16

+

16

24 (16Гбайт)

10

MCA-32

20

+

32

32 (4 Гбайт)

10

VLB

132

-

32/64

32 (4 Гбайт)

33-50 (66)

PCI

132/264

+

32/64

32 (4 Гбайт)

33 (66)

AGP

256/512

+

32

32 (4 Гбайт)

66

VME32

30

+

32

32 (4 Гбайт)

8

SBUS

80/100




32/64

32 (4 Гбайт)

20/25

MBUS

400




64

36

50

XD-BUS

400













Power-path2







256

40 (16Гбайт)

50
Навчальний матеріал
© uadoc.zavantag.com
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації