ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. Классификация периферийных устройств
 Скачать 327 Kb.
|
Классификация периферийных устройствОсновное назначение ПУ - обеспечить поступление в ПК из окружающей среды программ и данных для обработки, а также выдачу результатов работы ПК в виде, пригодном для восприятия человека или для передачи на другую ЭВМ, или в иной, необходимой форме. ПУ в немалой степени определяют возможности применения ПК. Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению: 1. Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители (ленточные, магнитооптические), модемы. 2. Устройства вывода – предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор (дисплей), аудиосистема. 3. Устройства ввода – Устройствами ввода являются устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура (входит в базовую конфигурацию ПК), сканер, графический планшет и т.д. 4. Дополнительные ПУ – такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярковыраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода, благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях. Каждые из перечисленных групп устройств выполняют определенные функции ограниченные их возможностями и назначением. Периферийные устройства ввода-вывода бывают нескольких видов в зависимости от назначения. Внешние накопители:• Ленточные (магнитные) накопители – стримеры. Благодаря достаточно большому объему и довольно высокой надежности чаще всего используются в рамках устройств резервного копирования данных на предприятиях и в крупных компаниях (хранят резервные копии баз данных и другой важной информации). На ленточный накопитель не просто сохраняется резервная копия данных, но также создается образ накопителя данных. Это позволяет пользователю восстанавливать определенное состояние или использовать этот образ как эталонный банк данных, например, когда данные были изменены. • Магнитооптические накопители – приводы CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. Также могут использоваться в качестве устройств резервного копирования, но, в отличие от стримеров, обладают гораздо меньшей вместимостью данных (CD-R, CD-RW до 700 MB данных, DVD-R, DVD-RW до 4.7 GB данных). Информация на магнитооптических накопителях типа CD-R, представляется чередованием углублений и пиков. Этот рельеф создается при производстве механическим путем. Информация наносится вдоль тонких дорожек. Считывание происходит путем сканирования дорожек лазерным лучом, который по-разному отражается от углублений и пиков. На дисках, которые позволяют многократную перезапись, применяется магнитооптический принцип, в основу которого положено физическое свойство: коэффициент отражения лазерного луча от по-разному намагниченных участков диска с особым образом нанесенным магнитным покрытием различен. Скорость записиперезаписи таких носителей различна и зависит от характеристик самого привода и «болванки» диска. В настоящее время чаще встречаются приводы со скоростями записиперезаписи 48х и 24х для CD-R/RW и 16х и 8х для DVD-R/RW соответственно. Флэш-картыУстройства отображения информацииПериферийные устройства вывода предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. Среди них есть обязательные (входящие в базовую конфигурацию ПК) и необязательные устройства. Монитор является необходимым устройством вывода информации. Монитор (или дисплей) позволяет вывести на экран алфавитно-цифровую или графическую информацию в удобном для чтения и контроля пользователем виде. В соответствии с этим, существует два режима работы: текстовой и графический. В текстовом режиме экран представлен в виде строк и столбцов. В графическом формате параметры экрана задаются числом точек по горизонтали и числом точечных строк по вертикали. Количество горизонтальных и вертикальных линий экрана называется разрешением. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на единице площади экрана. Устройства отображения информацииПринтерыПринтер это широко распространенное устройство вывода информации на бумагу, его название образовано от английского глагола to print - печатать. Принтер не входит в базовую конфигурацию ПК. Существуют различные типы принтеров: • Матричные (игольчатые) принтеры - это самые дешевые аппараты, обеспечивающие удовлетворительное качество печати для широкого круга рутинных операций (главным образом для подготовки текстовых документов). Применяются в сберкассах, в промышленных условиях, где необходима рулонная печать, печать на книжках и плотных карточках и других носителях из плотного материала. Достоинства: приемлемое качество печати при условии хорошей красящей ленты, возможности печати "под копирку". Недостатки: достаточно низкая скорость печати, особенно графических изображений, значительный уровень шума. Среди матичных принтеров есть и достаточно быстрые устройства (так называемые, Shattle-принтеры). Матричный принтер • Струйные принтеры обеспечивают более высокое качество печати. Они особенно удобны для вывода цветных графических изображений. Применение чернил разного цвета дает сравнительно недорогое изображение приемлемого качества. Цветную модель называют СМYB (Cyan-Magenta-Yellow-Black) по названиям основных цветов, образующих палитру. открыток. Этот тип принтера занимает промежуточное накопление между матричными и лазерными принтерами. • Лазерные принтеры - имеют еще более высокое качество печати, приближенное к фотографическому. Они стоят намного дороже, однако скорость печати в 4-5 раз выше, чем у матричных и струйных принтеров. Недостатком лазерных принтеров являются довольно жесткие требования к качеству бумаги - она должна быть достаточно плотной и не должна быть рыхлой, недопустима печать на бумаге с пластиковым покрытием и т.д. Плоттеры (графопостроители). Это устройство применяется только в определенных областях: чертежи, схемы, графики, диаграммы и т.п. Широкое применение нашли плоттеры совместно с программами систем автоматического проектирования, где частью результатов работы программы становится конструкторская или технологическая документация. Незаменимы плоттеры и при разработках архитектурных проектов. Поле черчения плоттера соответствует форматам А0-А4, хотя есть устройства, работающие с рулоном не ограничивающие длину выводимого чертежа (он может иметь длину несколько метров). То есть различают планшетные и барабанные плоттеры. • Планшетные плоттеры, в основном для форматов А2-А3, фиксируют лист и наносят чертеж с помощью пишущего узла, перемещающегося в двух координатах. Они обеспечивают более высокую по сравнению с барабанным точность печати рисунков и графиков. • Рулонный ( барабанный) плоттер – остается фактически единственным развивающимся видом плоттера с роликовой подачей листа и пишущим узлом, перемещающимся по одной координате (по другой координате перемещается бумага). Проекционная техника. Современный проектор — наиболее совершенное звено в цепи эволюции проекционного оборудования, начало которой положили слайдпроекторы, позволяющие демонстрировать на большом экране фотографические диапозитивы. Им на смену пришли так называемые оверхед-проекторы, проецирующие изображения с просвечиваемых материалов больших размеров. Возможности современных мультимедиа-проекторов поистине безграничны по сравнению с их предшественниками. АудиосистемаВ персональных компьютерах применяются самые разнообразные схемы формирования звуковых сигналов - от простых до сложных. Устройства ввода информации.Устройствами ввода являются те устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на ПК. Разнообразие выпускаемых устройств ввода породили целые технологии: от осязаемых до голосовых. КлавиатураГлавным устройством ввода большинства компьютерных систем является клавиатура. До тех пор, пока система распознавания голоса не смогут надежно воспринимать человеческую речь, главенствующее положение клавиатуры вряд ли изменится. СканерДля непосредственного считывания графической информации с бумажного или иного носителя в ПК применяется оптические сканеры. Сканируемое изображение считывается и преобразуется в цифровую форму элементами специального устройства: CCD - чипами. Существует множество видов и моделей сканеров. Какой из них выбрать, зависит от задач, для которых сканер предназначается. Самые простые сканеры распознают только два цвета: черный и белый. Такие сканеры используют для чтения штрихового кода. Графический планшет.Настольные компьютеры для конструкторских и дизайнерских работ уже более десяти лет комплектуются графическими планшетами. Это устройство значительно упрощает ввод в ПК чертежей, схем и рисунков. Манипуляторы.В настоящее время существуют два типа манипуляторов: • Мышь – с развитием операционных систем с графическим интерфейсом этот манипулятор стал просто «незаменимой» частью персонального компьютера. Манипулятор «мышь» обеспечивает простое и удобное управление многими функциями ОС и прикладных программ. вычислительной системой, а регистр входных данных предназначен для помещения в него информации, которая должна быть выведена на устройство. Обычно емкость этих регистров не превышает ширину линии данных (а чаще всего меньше ее), хотя некоторые контроллеры могут использовать в качестве регистров очередь FIFO для буферизации поступающей информации. Системный контроллер СК-А-3.1 USB Разумеется, набор регистров и составляющих их битов является приблизительным, он призван послужить нам моделью для описания процесса передачи информации от вычислительной системы к внешнему устройству и обратно, но в том или ином виде он обычно присутствует во всех контроллерах устройств.  Контрольные вопросы. Какую функцию выполняют контроллеры? Какие мосты вы знаете? Лекция 10. Приостановки. Прерывания. ДрайверыПостроив модель контроллера и, представляя себе, что скрывается за словами “прочитать информацию из порта” и “записать информацию в порт”, мы готовы к рассмотрению процесса взаимодействия устройства и процессора. Как и в предыдущих случаях, примером нам послужит команда записи, теперь уже записи или вывода данных на внешнее устройство. В нашей модели для вывода информации, помещающейся в регистр входных данных, без проверки успешности вывода процессор и контроллер должны общаться следующим образом:  Процессор в цикле читает информацию из порта регистра состояний и проверяет значение бита занятости. Если бит занятости установлен, то это означает, что устройство еще не завершило предыдущую операцию, и процессор уходит на новую итерацию цикла. Если бит занятости сброшен, то устройство готово к выполнению новой операции и процессор переходит на следующий шаг. Процессор записывает код команды вывода в порт регистр управления. Процессор записывает данные в порт регистра входных данных. Процессор устанавливает бит готовности команды. В следующих шагах процессор не задействован. Когда контроллер замечает, что бит готовности команды установлен, он устанавливает бит занятости. Контроллер анализирует код команды в регистре управления и обнаруживает, что это команда вывода. Он берет данные из регистра входных данных и инициирует выполнение команды. После завершения операции контроллер обнуляет бит готовности команды. При успешном завершении операции контроллер обнуляет бит ошибки в регистре состояния, при неудачном завершении команды устанавливает его. Контроллер сбрасывает бит занятости. При необходимости вывода новой порции информации все эти шаги повторяются. Если процессор интересует корректно или не корректно была выведена информация, то после шага 4 он должен в цикле считывать информацию из порта регистра состояний до тех пор, пока не будет сброшен бит занятости устройства, после чего проанализировать состояние бита ошибки. Как видим, на первом шаге (и, возможно, после шага 4) процессор ожидает освобождения устройства, непрерывно опрашивая значение бита занятости. Такой способ взаимодействия процессора и контроллера получил название polling или, в русском переводе, способа опроса устройств. Если скорости работы процессора и устройства ввода-вывода примерно равны, то это не приводит к существенному уменьшению полезной работы, совершаемой процессором. Если же скорость работы устройства существенно меньше скорости процессора, то указанная техника резко снижает производительность системы и необходимо применять другой архитектурный подход. Д  ля того чтобы процессор не дожидался состояния готовности устройства ввода-вывода в цикле, а мог выполнять в это время другую работу, необходимо, чтобы устройство само умело сигнализировать процессору о своей готовности. Технический механизм, который позволяет внешним устройствам оповещать процессор о завершении команды вывода или команды ввода, получил название механизма прерываний. В простейшем случая для реализации механизма прерываний необходимо к имеющимся у нас шинам локальной магистрали добавить еще одну линию, соединяющую процессор и устройства ввода-вывода – линию прерываний. По завершении выполнения операции внешнее устройство выставляет на эту линию специальный сигнал, по которому процессор после выполнения очередной команды (или после завершения очередной итерации при выполнении цепочечных команд, т.е. команд, повторяющихся циклически со сдвигом по памяти) изменяет свое поведение. Вместо выполнения очередной команды из потока команд, он частично сохраняет содержимое своих регистров и переходит на выполнение программы обработки прерывания, расположенной по заранее оговоренному адресу. При наличии только одной линии прерываний процессор при выполнении этой программы должен опросить состояние всех устройств ввода-вывода, чтобы определить от какого именно устройства пришло прерывание (polling прерываний!), выполнить необходимые действия (например, вывести в это устройство очередную порцию информации или перевести соответствующий процесс из состояния ожидание в состояние готовность) и сообщить устройству, что прерывание обработано (снять прерывание). В большинстве современных компьютеров процессор стараются полностью освободить от необходимости опроса внешних устройств, в том числе и от определения с помощью опроса устройства, сгенерировавшего сигнал прерывания. Устройства сообщают о своей готовности процессору не напрямую, а через специальный контроллер прерываний, при этом для общения с процессором он может использовать не одну линию, а целую шину прерываний. Каждому устройству присваивается свой номер прерывания, который при возникновении прерывания контроллер прерывания заносит в свой регистр состояния и, возможно, после распознавания процессором сигнала прерывания и получения от него специального запроса, выставляет на шину прерываний или шину данных для чтения процессором. Номер прерывания обычно служит индексом в специальной таблице прерываний, лежащей по адресу, задаваемому при инициализации вычислительной системы, и содержащей адреса программ обработки прерываний – вектора прерываний. Для распределения устройств по номерам прерываний необходимо, чтобы от каждого устройства к контроллеру прерываний шла специальная линия, соответствующая одному номеру прерывания. При наличии множества устройств, такое подключение становится невозможным, и на один проводник (один номер прерывания) подключается несколько устройств. В этом случае процессор при обработке прерывания все равно вынужден заниматься опросом устройств для определения устройства, выдавшего прерывание, но в существенно меньшем объёме. Обычно при установке в систему нового устройства ввода-вывода требуется аппаратно или программно определить, каким будет номер прерывания, вырабатываемый этим устройством. Когда мы с вами рассматривали кооперацию процессов и взаимоисключения, мы говорили о существовании критических секций внутри ядра операционной системы, при выполнении которых необходимо исключить всякие прерывания от внешних устройств. Для запрещения прерываний, а, точнее, для невосприимчивости процессора к внешним прерываниям, обычно существуют специальные команды, которые могут маскировать (запрещать) все или некоторые из прерываний устройств ввода-вывода. В то же время, определенные кризисные ситуации в вычислительной системе (например, неустранимый сбой в работе оперативной памяти), должны требовать ее немедленной реакции. Такие ситуации вызывают прерывания, которые невозможно замаскировать или запретить и которые поступают в процессор по специальной линии шины прерываний, называемой линией немаскируемых прерываний (NMI – Non-Maskable Interrupt). Не все внешние устройства являются одинаково важными с точки зрения вычислительной системы. Соответственно, некоторые прерывания являются более существенными, чем другие. Контроллер прерываний обычно позволяет устанавливать приоритеты для прерываний от внешних устройств. При почти одновременном возникновении прерываний от нескольких устройств (во время выполнения одной и той же команды процессора), процессору сообщается номер наиболее приоритетного прерывания, для его обслуживания в первую очередь. Менее приоритетное прерывание при этом не пропадает, о нем процессору будет доложено после обработки более приоритетного прерывания. Более того, при обработке возникшего прерывания процессор может быть извещен о возникновении прерывания с более высоким приоритетом, и переключиться на его обработку. Механизм обработки прерываний, по которому процессор прекращает выполнение команд в обычном режиме и, частично сохранив свое состояние, ответвляется на выполнение других действий, оказался настолько удобен, что зачастую разработчики процессоров используют их и для других целей. Хотя эти случаи и не относятся к операциям ввода-вывода, мы вынуждены упомянуть их здесь, для того, чтобы их не путали с прерываниями. Похожим образом процессор обрабатывает исключительные ситуации и программные прерывания. Для внешних прерываний характерны следующие особенности: Внешнее прерывание обнаруживается процессором между выполнением команд (или между итерациями в случае выполнения цепочечных команд). Процессор при переходе на обработку прерывания сохраняет часть своего состояния перед выполнением следующей команды. Прерывания происходят асинхронно с работой процессора и непредсказуемо, программист ни коим образом не может предугадать, в каком именно месте работы программы произойдет прерывание. Исключительные ситуации возникают во время выполнения процессором команды. К их числу относятся ситуации переполнения, деления на ноль, обращения к отсутствующей странице памяти. Для исключительных ситуаций характерно следующее: Исключительные ситуации обнаруживаются процессором во время выполнения команд. Процессор при переходе на выполнение исключительной ситуации сохраняет часть своего состояния перед выполнением текущей команды. Исключительные ситуации возникают синхронно с работой процессора, но непредсказуемо для программиста, если только тот специально не заставил процессор делить некоторое число на ноль. Программные прерывания возникают после выполнения специальных команд, как правило, для выполнения привилегированных действий внутри системных вызовов. Программные прерывания имеют следующие свойства: Программное прерывание происходит в результате выполнения специальной команды. Процессор при выполнении программного прерывания сохраняет свое состояние перед выполнением следующей команды. Программные прерывания, естественно, возникают синхронно с работой процессора и абсолютно предсказуемы программистом. Контрольные вопросы. Особенности внешних прерываний Какие вы знаете исключительные ситуации? ЗаключениеПерсональный компьютер это комплекс взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определенные функции. Часто употребляемый термин "конфигурация ПК" означает, что конкретный компьютер может работать с разным набором внешних (периферийных) устройств - с принтером, модемом, сканером и т.д.  Эффективность использования ПК в большой степени определяется количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в его составе. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ПК. Широкая номенклатура внешних устройств, разнообразие их технико-эксплуатационных и экономических характеристик дают возможность пользователю выбрать такие конфигурации ПК, которые в наибольший степени соответствуют его потребностям и обеспечивают рациональное решение его задачи.Список литературыПартыка Т.Л. Попов И. И. Периферийные устройства вычислительной техники. Учебник М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2007 Партыка Т.Л. Попов И. И. Вычислительная техника М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2010 Максимов Н.В., Партыка Т.Л, Попов И.И «Технические средства информатизации» 3-е издание ФОРУМ: ИНФРА-М, 2010 А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер. Информатика. М., 2000. И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии. М., 2000. В.Н. Петров. Информационные системы. С-Пб., 2002. А.Я. Савельев. Основы информатики. М., 2001. Статьи журналов Hard&Soft за 2001-2003 г.г. |