Архитектура информационных систем. Литература по теме Практические задания Тема Устройство персонального компьютера системный блок и периферия Вопросы для самопроверки Литература по теме
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
Тема 6. Система ввода-вывода и организация взаимодействия с периферийными устройствами Цели и задачи: Цели и задачи изученияданной темы – получение сведений о назначении и принципах работы устройств системы ввода-вывода IBM совместимого ПК, принципах подключения основных периферийных устройств, соответствующих разъемах и интерфейсах. В результате успешного изучения темы Вы: Узнаете: · классификацию периферийных устройств; · принципы подключения периферийных устройств; · понятия: драйвер, стандартные периферийные устройства, устройства сопряжения; · стандарты внешних интерфейсов: Centronics, RS-232C, USB, PCI; · топологию интерфейса USB; · назначение, возможности и способы подключения устройств сопряжения. Приобретете следующие профессиональные компетенции: · умение определять наиболее оптимальный интерфейс для подключения определенного периферийного устройства; · умение формировать комплекс периферийных устройств, оптимизированный с точки зрения их размещения и производительности за счет использования различных интерфейсов и портов подключения; · умение подключать к системному блоку прериферийные устроства, а также устанавливать устройства сопряжения; · умение устанавливать драйверы устройств. В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях: Адаптер - средство связи какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Конструктивно адаптер выполняется в виде платы расширения, устанавливаемой в соответствующий слот (например, разъем системной шины PCI). Адаптер необходим для преобразования сигналов передаваемых между процессором и подключенным устройством. Внешний интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Драйвер – специализированное программное обеспечение, содержащие процедуры работы с соответствующим устройством. Драйверы поставляются разработчиком аппаратного обеспечения, а их обновленные версии можно получить на сайте производителя. Контроллер – это адаптер, включающий систему управления подключенным устройством и способный к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. Ряд контроллеров расположены непосредственно на материнской плате (а не выполнены в виде плат расширения). Это контроллер оперативной памяти, жестких дисков, клавиатуры, мыши, контроллер системной шины, а также контроллеры основных интерфейсов. Теоретический материал по теме Периферийные устройства, не являющиеся обязательными компонентами компьютера, подразделяются на три большие группы: стандартные устройства, нестандартные устройства и устройства сопряжения. Это разделение очень условное, поскольку фантастические темпы развития компьютерных технологий постоянно изменяют состав каждой группы, и то, что несколько лет назад было редким эксклюзивом (например, web камера) теперь становится вполне доступным и привычным устройством. Итак, к стандартным относятся устройства, применяемые большинством пользователей, выпускающиеся огромными партиями и предназначенные для решения повседневных задач. К таким устройствам относятся: аудиосистемы, принтеры, сканеры, модемы и т.д. Каждому из этих устройств в нашем курсе посвящено отдельное занятие. К нестандартным относятся устройства, предназначенные для досуга или решения специальных задач. Это различные многофункциональные устройства, игровые устройства, цифровые фото и видеокамеры, специальные наушники, микрофоны, синтезаторы, WEB-камеры и т.д. Об этих устройствах будет рассказано в последующих темах. Устройства сопряжения предназначены для подключения к системному блоку технических средств узкой специализации, зачастую индивидуальных и уникальных. С помощью устройств сопряжения подключаются кассовые аппараты, различные охранные системы, системы телеметрического наблюдения, всевозможные системы контроля и т.д. Все устройства подключаются к системному блоку через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или контроллеров, устанавливаемых на материнскую плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Внешний интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Адаптер является средством связи (сопряжения) какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его активность - способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. Все внешние интерфейсы компьютера тоже имеют свои адаптеры и контроллеры. Для взаимодействия с программой адаптеры и контроллеры обычно имеют регистры ввода и вывода. Эти регистры могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода-вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах. Для обмена информацией с устройствами применяется механизм прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), а также прямое управление шиной. Все устройства, занимающие какие-либо свои системные ресурсы - порты ввода-вывода, ячейки памяти, линии запросов прерывания или каналы DMA - называются системными устройствами. По этим признакам к системным устройствам относится и оперативная память. Системные устройства могут располагаться на материнской плате или картах расширения, устанавливаемых в шины расширения. Среди них могут быть и стандартные (известные программному обеспечению, включая BIOS) и нестандартные, существующие порой в единственном экземпляре. Периферийные устройства подключаются к тем или иным интерфейсам системных устройств. Так, например, винчестер, подключенный к контроллеру ATA материнской платы, является периферийным устройством. Отдельных ресурсов он не занимает - процессор к нему обращается через ресурсы контроллера ATA. А вот сам контроллер ATA является системным устройством и занимает ресурсы (порты, прерывание), независимо от того, подключены к нему периферийные устройства или нет. Для того чтобы все установленное «железо» нормально работало используется специальное программное обеспечение - драйверы, т.е. программные модули, содержащие процедуры работы с устройствами. Необходимость выделения драйверов в отдельные модули обусловлена тем, что устройство определенного назначения может иметь самые разные реализации. Например, в компьютере может быть установлен самый примитивный видеоадаптер, а может суперсовременная карта с трехмерным акселератором. Если бы не было драйверов, то разработчикам прикладного программного обеспечения приходилось бы включать в него множество аппаратно-зависимых процедур, причем для всех известных ему моделей видеоадаптеров. При этом очевидно, что появление новых адаптеров потребовало бы модернизации программы. Стандартные периферийные устройства. Эти устройства подключаются к системному блоку через строго определенные разъемы и шины (рис. 32). Технические параметры всех этих устройств и принципы работы будут рассмотрены в последующих занятиях.  Рис. 32. Разъемы для подключения периферийных устройств Устройства сопряжения. Устройством сопряжения (УС) в широком смысле этого определения называется любое устройство, обеспечивающее взаимодействие между двумя техническими средствами (системами). В данном случае под УС подразумевается устройство, подключаемое к компьютерной системе. При этом очень важно иметь в виду, что устройство может нарушить работу системы в целом, причем не исключено, что только в одном, редко используемом режиме. Поэтому при приобретении, установке и эксплуатации УС требуются специальные знания, которые заинтересованный читатель может найти в соответствующей литературе. В данной теме мы рассмотрим самое важное из условий успешной эксплуатации УС - это его соответствие внешним интерфейсам компьютера. Итак, к IBM-совместимому персональному компьютеру УС могут быть подключены четырьмя способами, соответствующими четырем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера: · через системную магистраль или шину, канал - эти термины равнозначны (в современных системах это PCI - Peripheral Component Interconnect или PCI-E (Express) в устаревших компьютерах это ISA - Industrial Standard Architecture); · через параллельный интерфейс Centronics (LPT порт); · через последовательный интерфейс RS-232C (COM порт); · через универсальную системную шину USB (Universal Serial Bus). Подключение через системную магистраль обеспечивает наибольшую скорость обмена. При этом не требуется ни отдельного конструктива (плата УС устанавливается в корпус компьютера), ни дополнительного источника питания (используется тот, который есть в компьютере). В то же время одноплатное исполнение ограничивает сложность УС, а соседство с быстродействующими и мощными цифровыми узлами компьютера приводит к высокому уровню электромагнитных помех и наводок по цепям питания. Выбор Centronics или RS-232C позволяет расположить УС (причем УС любой сложности) на большом расстоянии от компьютера. Но при этом достигается гораздо меньшая скорость обмена, а также требуется внешний конструктив и дополнительный источник питания, что существенно увеличивает стоимость системы. Немаловажно и то, что без специальных ухищрений через эти интерфейсы можно подключить только одно УС. Что касается сложности узлов сопряжения (интерфейсной части УС), то обмен в параллельном формате гораздо проще, чем в последовательном. Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (модема, мыши, источника бесперебойного питания и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим). Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения RS-232C. Основным назначением интерфейса Centronics является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на это использование. В то же время с помощью данного интерфейса можно подключать к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем Centronics, а также специально разработанные УС. Основным достоинством использования Centronics для подключения УС по сравнению с PCI является значительно меньший риск вывести компьютер из строя. Главный недостаток этого подхода - значительно меньшая скорость обмена. И, наконец, самый популярный способ подключения через шину USB. Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальная Последовательная Шина) позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0): · низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с; · полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с; · высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с. В настоящее время используется спецификация USB 3.0, которую по сравнению с USB 2.0 отличает добавление еще четырех линий связи, что увеличивает скорость передачи данных до 5 Гбит/с. Интерфейс USB (рис. 33) соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри ПК (интегрирован на материнскую плату) и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту.  Рис. 33. Топология интерфейса USB В интерфейсе USB используется специальный термин «функция» - это логически законченное устройство, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device). Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port). В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в УС с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB. Таким образом, основными преимуществами подключения УС через USB является: · высокая скорость передачи данных (в отличие от RS232C и Centronics); · отсутствие необходимости устанавливать УС внутрь системного блока (в отличие от PCI); · возможность подключения нескольких устройств наиболее удобным способом (вспомните про разъемы USB на передней панели системного блока); · малые размеры разъема. Еще раз отметим, что по своей сути УС представляют собой те же адаптеры либо контроллеры, только обеспечивающие подключение специфичных, а порой уникальных устройств. Вопросы для самопроверки: 1. Каким образом различные устройства подключаются к системному блоку (материнской плате)? 2. Какими ресурсами могут располагать системные устройства? 3. Каким образом происходит подключение к системному блоку периферийных устройств? 4. С чем связана необходимость разработки специальных программных модулей - драйверов? 5. Как подключатся к ПК устройства сопряжения? 6. Для чего предназначены интерфейсы Centronix и RS232C? 7. Что из себя представляет топология интерфейса USB? 8. В чем различие между адаптером и контроллером. 9. Какие контроллеры размещаются непосредственно на материнской плате? 10. Какие периферийные устройства относятся к стандартным, нестандартным и устройствам сопряжения? Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов: 1. Подключение к системному блоку устройств с использованием различных интерфейсов (COM, LPT, USB, FireWire, BlueTooth, WiFi, IrDA и др.). 2. Интерфейс FireWire. 3. Интерфейс BlueTooth. 4. Интерфейс WiFi. 5. Интерфейс IrDA. 6. Интерфейс Thunderbolt. 7. «Умный» дом – системы удаленного управления домашней бытовой техникой, средствами оповещения и иными устройствами. 8. Перспективы развития интерфейсов ПК. 9. Основные направления повышения производительности интерфейсов ПК. 10. Усовершенствования интерфейса PCI. Литература по теме: Основная литература: 1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. – М.: Маркет ДС, 2010 – 184 с. (Университетская серия). Дополнительная литература: 1. Вычислительная техника: учеб. пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. – 608 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 4, п.п. 4.3 (стр. 352-361), п.п. 4.4 (стр. 361-380). 2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. – М.: ФОРУМ, 2008. – 512 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.3 (стр. 423-439), п. 4.4 (стр. 440-446). Видеоролики: 1. Системная шина персонального компьютера PCI // http://youtu.be/l-EszUhHp4A. 2. Стандарт USB 3.0 // http://youtu.be/rUpmBK0SaQs. 3. Стандарт LPT // http://video.yandex.ru/users/sales-chip-dip-ru/view/2005/. 4. USB 3.0 vs USB 2.0 ViPowER // http://youtu.be/uAR0dx5N62A. 5. Совместимость интерфейса USB 3.0 с USB 2.0 // http://youtu.be/qcQFUpc2fWA. Практические задания: Задание 1. Заполните схему топологии интерфейса USB.  Задание 2. Для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?  Задание 3. Как называется и для чего предназначен разъем, указанный на рисунке?  Задание 4. Как называются и для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?  Задание 5. Для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?  Задание 6. Для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?  |