Разработка и проектирование вычислительных систем и сетей Устройства, входящие в микропроцессорной системы

Взаимодействие основных узлов и устройств микропроцессорной системы В составе ЭВМ кроме традиционных устройств компьютера с классической архитектурой (оперативное запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство и основные схемы устройства управления) выделим следующие блоки: регистровая память; блок формирования адреса операнда (БФАО); двадцатиразрядные сумматоры для получения физических адресов данных (ΣФАД) и физических адресов команд (ΣФАК).

Структурная схема базовой модели персональной ЭВМ

Работа микропроцессорной системы На входы регистровой памяти из БФАО поступают номера регистров, к которым проводится обращение. На входы выбираемых регистров поступают из АЛУ результаты выполнения операции и значения сегментных регистров, устанавливаемых операционной системой ЭВМ. В регистрах хранятся составляющие эффективных адресов данных, исходные и промежуточные данные, участвующие в выполнении операции, старшие 16 разрядов базовых адресов сегментов.

Работа микропроцессорной системы (продолжение) Сумматоры физических адресов используются для получения адреса обращения к оперативной памяти с учетом ее сегментной организации. Одним из слагаемых выступает начальный адрес сегмента, который формируется путем умножения на 16 значения соответствующего сегментного регистра. Второе слагаемое - это смещение относительно начала сегмента. Для сегмента кода таким смещением является значение указателя команд IP, а для сегмента данных - сформированный блоком формирования адреса операнда эффективный адрес.

Работа микропроцессорной системы (продолжение) Суть этапов выполнения команды подобна работе классической ЭВМ: первый - выбор кода команды; второй и третий - выбор операндов; четвертый - выполнение операции в АЛУ; пятый - запись результата в оперативную или регистровую память; шестой - формирование адреса следующей выполняемой команды.

Архитектура 32-разрядного микропроцессора В 1985 году фирма Intel выпустила 32-разрядный микропроцессор, ставший родоначальником семейства IA-32. Развитие этого семейства прошло ряд этапов, среди которых можно выделить следующие: реализация блока обработки чисел с плавающей запятой непосредственно на кристалле МП (микропроцессор I486), введение MMX-технологии обработки данных с фиксированной точкой по принципу SIMD - single instruction multi data (один поток команд - множество потоков данных) в микропроцессоре Pentium MMX и развитие этой технологии на числа с плавающей запятой (SSE - streaming SIMD Extention), появившееся впервые в МП Pentium III. Основные черты этой архитектуры вплоть до настоящего времени остаются неизменными. Архитектура 32-разрядного микропроцессора существенно отличается от архитектуры 16-разрядного. Некоторые из этих отличий чисто количественные, другие носят принципиальный характер.

Структура 32-разрядного микропроцессора

Увеличение разрядности процессора Главное внешнее отличие - увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это, в свою очередь, связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора и в механизме выполнения некоторых процессов, например, формирования физического адреса. Регистры блока обработки чисел с фиксированной точкой стали 32-разрядными. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда). К младшим 16 разрядам этих регистров можно обращаться так же, как и в 16-разрядном микропроцессоре.

Управление памятью В блоке сегментных регистров произошли как количественные, так и качественные изменения. К используемым в реальном режиме четырем регистрам CS, DS, SS и ES добавлены еще два: FS и GS. Хотя разрядность регистров этого блока осталась прежней (каждый по 16 бит), в формировании физического адреса оперативной памяти они используются по-другому. При работе микропроцессора в так называемом защищенном режиме они предназначаются для поиска дескриптора (описателя) сегмента в соответствующих системных таблицах, а уже в дескрипторе хранится базовый адрес и атрибуты сегмента. Формирование адреса в этом случае выполняет блок сегментации диспетчера памяти. Если помимо сегментов память разбита еще и на страницы, то окончательное вычисление физических адресов выполняет блок управления страницами.

Дополнительные компоненты Начиная с микропроцессора I486, в состав кристалла микропроцессора входит блок обработки чисел с плавающей запятой, включающий в себя восемь 80-разрядных регистров для представления знаков, мантисс и порядков таких чисел. На кристалле микропроцессора располагается также внутренняя кэш-память, которая представляет собой особым образом организованную быстродействующую буферную память, предназначенную для хранения наиболее часто используемой информации (команд и данных). В различных моделях микропроцессоров объем кэш- памяти составляет от 8 Кбайт до 512 Кбайт.

Мультипрограммный режим Микропроцессор на аппаратном уровне поддерживает мультипрограммный режим работы ЭВМ, то есть возможность иметь в памяти одновременно несколько готовых к выполнению программ, запуск которых осуществляется операционной системой в соответствии с алгоритмами ее функционирования либо в зависимости от особых ситуаций, складывающихся в работе внешних устройств. С этой возможностью неразрывно связаны средства защиты памяти, которые обеспечивают контроль над неразрешенными взаимодействиями между отдельными программами. Средства защиты памяти включают в себя защиту при управлении памятью и защиту по привилегиям.

Память персонального компьютера Память персонального компьютера состоит из двух частей: оперативной памяти и постоянной памяти. Обе части расположены в адресном пространстве памяти, к обеим компьютер может обращаться одинаковым образом. Обе памяти допускают обращения к отдельным байтам, 16- разрядным словам (имеющим четные адреса), к 32-разрядным двойным словам (имеющим адреса, кратные четырем) и к 64- разрядным учетверенным словам (имеющим адреса, кратные восьми). Различие только в том, что оперативную память используют для временного хранения программ и данных, а в постоянной памяти хранятся программы начального запуска, начального самотестирования компьютера, а также набор программ ввода/вывода нижнего уровня, то есть то, что не должно теряться при выключении питания компьютера. Объем оперативной памяти, как правило, больше, чем постоянной памяти

Оперативная память Оперативная память занимает значительную часть адресного пространства компьютера. Ее объем и быстродействие оказывают огромное влияние на быстродействие персонального компьютера в целом (порой даже большее, чем скорость процессора). Надежность работы во многом определяет надежность всего компьютера. Все персональные компьютеры используют оперативную память динамического типа (DRAM Dynamic Random Access Memory), основным преимуществом которой перед статической оперативной памятью (SRAM Static RAM) является низкая цена. Это связано с тем, что если элемент статической памяти (триггер) требует 46 транзисторов, то элемент динамической памяти это интегральный конденсатор, для обслуживания которого требуется 12 транзистора. Отсюда же следуют два основных недостатка динамической памяти: она требует регенерации (то есть постоянного возобновления заряда на разряжающемся конденсаторе) имеет в несколько раз меньшее быстродействие по сравнению со статической памятью. К тому же во время регенерации динамическая память недоступна для обмена, что также снижает быстродействие компьютера.

Развитие динамической памяти Развитие динамической памяти идет по пути снижения времени доступа благодаря структурным и технологическим усовершенствованиям. Например, второе поколение динамической памяти EDO RAM (Extended Data Output RAM) имело быстродействие примерно на 2025% выше, чем у обычной памяти. Это достигается за счет того, что следующее обращение к памяти возможно еще до завершения предыдущего обращения. Третье поколение динамической памяти SDRAM (Synchronous DRAM) еще на столько же быстрее (рабочая частота в настоящее время достигает 133 МГц). Еще более быстродействующая память DDR SDRAM (частота до 400 МГц) и память RDRAM (частота до 1 ГГц и даже выше).

Конструктивные особенности модулей оперативной памяти Для упрощения установки оперативной памяти в компьютер ее выполняют в виде небольших модулей печатных плат с ножевым (печатным) разъемом, на которые установлены микросхемы памяти (SIMM Single In-Line Memory Module). Широко применяются 72-контактные SIMM-модули разного объема. Не рекомендуется одновременно использовать несколько модулей с разным быстродействием: в некоторых компьютерах это приводит к сбоям. В компьютерах на базе процессоров Pentium применяются также модули DIMM (Dual In-Line Memory Module модуль памяти с двусторонними печатными выводами), имеющие 64 бита данных.

Проверка четности Модули памяти иногда поддерживают проверку содержимого памяти на четность. Для этого к 8 битам данных каждого адреса памяти добавляется девятый бит четности. Он записывается при каждой записи информации в соответствующий байт памяти и проверяется при чтении информации из соответствующего байта памяти. Если обнаруживается несоответствие бита четности байту информации, то вырабатывается сигнал, вызывающий немаскируемое прерывание NMI.

Постоянная память Системная постоянная память (ПЗУ) занимает сравнительно небольшой объем (обычно 64 Кбайта). Ее значение для компьютера очень велико. Само ее название ROM BIOS (ROM Basic Input/Output System) базовая система ввода/вывода говорит о том, что в ней находится функционально полный набор программ нижнего уровня для управления устройствами ввода/вывода. Поэтому даже до загрузки в оперативную память исполняемых программ с диска компьютер имеет возможность обслуживать клавиатуру, дисплей, подавать звуковые сигналы, общаться с дисками и т.д. Важно отметить, что большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеров накопителей имеют собственную систему BIOS, которая дополняет или даже заменяет системную BIOS во время основной работы. Вызов программ BIOS осуществляется через программные или аппаратные прерывания, для чего BIOS формирует соответствующую таблицу векторов прерываний.

Начальная загрузка При старте компьютера после включения питания, нажатия кнопки на передней панели RESET или после программного перезапуска начинает выполняться программа начального запуска, также хранящаяся в постоянной памяти (начальный адрес FFFF0). Эта программа включает в себя: программу самотестирования компьютера (POST Power On Self Test); программу начальной загрузки операционной системы с соответствующего дискового накопителя компьютера; программу задания текущих параметров компьютера (Setup). Кроме программы начального запуска ROM BIOS также обслуживает аппаратные прерывания от системных устройств (таймера, клавиатуры, дисков), а также отрабатывает базовые программные обращения к системным устройствам.

Программа самотестирования Программа самотестирования POST позволяет производить простейшую диагностику основных узлов компьютера, включая определение полного объема установленной оперативной памяти. Информация о ее результатах выводится тремя способами: сообщениями на дисплее (наиболее наглядно и понятно пользователю); звуковыми сигналами (что очень полезно при неработоспособном дисплее); выдачей кодов в определенный порт ввода/вывода, обычно это порт с адресом 080 (на этом основаны все диагностические приборы). Сообщения на дисплее могут прямо называть обнаруженную неисправность или неисправный блок или же выдавать специальный код ошибки, по которому впоследствии в прилагаемой документации можно найти причину неисправности компьютера.

Энергонезависимая оперативная память Начиная с компьютеров на процессоре (IBM PC AT) постоянная память ROM BIOS обязательно дополняется небольшой энергонезависимой оперативной памятью CMOS RAM, которая выполнена на микросхемах с пониженным энергопотреблением с технологией КМОП (CMOS) и при выключении питания компьютера подпитывается от батарейки или аккумулятора (эта память, как правило, входит в состав других микросхем). В CMOS-памяти хранится информация о текущих показаниях часов (дате и времени), о значении времени для будильника, о конфигурации компьютера: приоритете загрузки с разных накопителей, количестве памяти, типах накопителей, режимах энергопотребления, о типе дисплея, об установках клавиатуры и т.д. CMOS RAM отличается от постоянной памяти тем, что записанная в нее информация легко меняется программным путем. Задавать все параметры компьютера, сохраняемые в CMOS RAM, позволяет программа BIOS Setup, вызвать которую можно путем нажатия назначенных клавиш во время процедуры начальной загрузки компьютера (информация об этом всегда выводится на экран). В современных компьютерах данная программа предлагает довольно удобный и наглядный интерфейс пользователя с привычными меню.

Системные устройства Помимо микропроцессора и системной памяти на системной (материнской) плате располагаются и другие важные модули, обеспечивающие работоспособность компьютера: контроллеры прерываний и прямого доступа, тактовый генератор, системный таймер, буферные микросхемы, контроллер шины и т.д. В первых компьютерах семейства все эти функции выполняли отдельные специализированные микросхемы сравнительно низкой степени интеграции. В современных компьютерах применяются сверхбольшие интегральные схемы, которые, тем не менее, обеспечивают полную программную и аппаратную совместимость с предыдущими моделями. Эти микросхемы называются набором микросхем или chipset (чипсет). Преимущества такого подхода chipset занимает меньше места на плате, меньшая потребляемая мощность, значительно большая надежность. Компьютеры, выполненные на системных платах с chipset известных фирм, имеют лучшую репутацию. В большинство наборов микросхем входит так называемый периферийный контроллер, включающий два контроллера прерываний, два контроллера прямого доступа к памяти, таймер, часы реального времени, а также CMOS-память.

Тактовый генератор Системный тактовый генератор генерирует сигналы синхронизации для работы микропроцессора, всех контроллеров и системной шины. Для обеспечения высокой стабильности тактовых частот и их независимости от температуры применяются кварцевые резонаторы, то есть кристаллы кварца, имеющие высокостабильную частоту собственных колебаний. Как правило, в состав системной платы входит несколько кварцевых резонаторов, каждый из которых обеспечивает свой тактовый сигнал. Тактовую частоту процессора можно выбирать путем установки перемычек на системной плате. Это позволяет пользователю модернизировать компьютер путем замены процессора на другой, рассчитанный на более высокую тактовую частоту.

Тактовые частоты В общем случае в компьютере существуют следующие тактовые частоты: Host Bus Clock (CLK2IN) это опорная частота (внешняя частота шины процессора). Именно из нее могут получаться другие частоты и именно она задается перемычками (джамперами); CPU Clock (Core Speed) это внутренняя частота процессора, на которой работает его вычислительное ядро. Может совпадать с Host Bus Clock или получаться из нее умножением на 1,5, 2, 2,5, 3, 4. Умножение должно быть предусмотрено в конструкции процессора. PCI Bus Clock это тактовая частота системной шины PCI, которая по стандарту должна быть 25 33,3 МГц. Ее обычно получают делением частоты Host Bus Clock на нужный коэффициент. В компьютерах предусматривается возможность ее увеличения до 75 или даже 83 МГц, но из соображений надежности работы рекомендуется придерживаться стандартных значений. VLB Bus Clock это частота локальной шины VLB, определяемая аналогично PCI Bus Clock.

Контроллер прерываний Контроллеры радиальных прерываний в первых компьютерах выполнялись на микросхемах i8259, каждая из которых имела 8 входов запроса прерываний. В IBM PC AT применялось две таких микросхемы, в результате чего количество входов запросов прерываний увеличилось до 15. Режимы работы контроллеров прерываний определяются процессором путем записи соответствующих управляющих кодов по адресам в пространстве устройств ввода/вывода. При поступлении запроса прерывания на один из входов IRQ и удовлетворении этого запроса контроллер прерываний вырабатывает выходной сигнал запроса прерывания, поступающий на процессор. В ответ на это процессор запрашивает контроллер о том, прерывание с каким адресом вектора необходимо обслужить. Всего прерываний может быть 256 (от 00 до FF). Номер прерывания, полученный от контроллера, процессор умножает на 4 и получает, таким образом, адрес памяти, где хранится адрес начала программы обработки прерываний (вектор прерывания). Присваивание каждому из каналов IRQ своего номера процессор осуществляет на этапе инициализации контроллера.

Работа контроллера прерываний Контроллер прерываний может выполнять следующий набор операций: маскирование запросов на прерывание, то есть временное запрещение реакции на них; установка приоритетов запросов по различным входам, то есть разрешение конфликтов при одновременном приходе нескольких запросов на прерывание; работа в качестве основного контролера (Master) или подчиненного (Slave). Для маскирования прерываний используется внутренний регистр контроллера, программно доступный процессору как по записи, так и по чтению. Замаскирован может быть каждый запрос (по каждой из линий IRQ), путем установки соответствующего бита маскирования в записываемом в контроллер управляющем байте.

Приоритеты прерываний Схема приоритетов прерываний может быть задана процессором программным путем. В базовом варианте все приоритеты фиксированы (то есть IRQ0 имеет высший приоритет, а IRQ7 низший). Высший уровень приоритета задается для любого из входов запросов, можно также установить циклическое переключение приоритетов (последний обслуженный запрос получает низший приоритет), обеспечивая тем самым всем запросам равные приоритеты. Если во время обработки прерывания с меньшим уровнем приоритета приходит более приоритетный запрос, то процессор переходит на программу обработки более приоритетного запроса, а после ее выполнения возвращается к программе обработки менее приоритетного запроса. Немаскируемое прерывание NMI имеет приоритет выше любого другого аппаратного прерывания. Завершив выполнение программы обработки прерывания, процессору необходимо с помощью специальной команды сообщить об этом контроллеру прерываний, чтобы разрешить ему дальнейшую работу, в частности, вновь обрабатывать тот же самый запрос.

Контроллер прямого доступа к памяти Контроллер прямого доступа к памяти имеет более сложную структуру по сравнению с контроллером прерываний, что связано с его более сложными функциями. На время ПДП контроллер ПДП становится задатчиком (активным устройством) системной шины, выставляя все основные сигналы шины самостоятельно. Все режимы работы контроллера ПДП, все его параметры устанавливаются процессором на этапе инициализации контроллера. В частности, процессор определяет тип решаемой задачи, задает начальный адрес передаваемого или принимаемого массива данных, а также размер этого массива. В персональном компьютере применяется два четырехканальных контроллера ПДП типа i8237, обеспечивающих 7 каналов ПДП (один канал задействован под каскадирование контроллеров по тому же принципу, что и контроллеры прерываний). Помимо собственно контроллеров ПДП в подсистему ПДП входят также программно доступные регистр старшего байта адреса и регистры страниц ПДП.

Работа контроллера ПДП Получив сигнал запроса ПДП по одной из линий DRQ, контроллер формирует запрос процессору на захват шины и, получив разрешение от процессора, сообщает о предоставлении ПДП запросившему прямой доступ устройству по соответствующей линии DACK. После этого производится цикл ПДП, пересылающий данные из устройства ввода/вывода в память или наоборот. При этом сам контроллер ПДП формирует только 16 младших разрядов адреса памяти, а восемь старших разрядов содержатся в регистре страниц. Свой собственный регистр страниц соответствует каждому из каналов ПДП.

Режимы работы прямой передачи данных Передача данных в случае ПДП возможна по одному из следующих режимов: Режим одиночной (поцикловой) передачи. В этом случае за время предоставления ПДП выполняется только один цикл передачи данных, и для следующей передачи надо опять же запросить ПДП. Однако адрес памяти, с которым осуществляется обмен, автоматически меняется после каждого цикла. Этот режим позволяет процессору вставлять свои циклы обмена после каждого цикла ПДП. Режим передачи блока (режим блочной передачи). В этом режиме за один раз передается целый блок данных определенной длины (до 64 Кбайт). Режим обеспечивает более высокую скорость передачи по сравнению с режимом одиночной передачи, но может на длительное время захватить системную шину, не допуская к ее управлению процессор. Режим передачи по требованию. Этот режим позволяет продолжать ПДП до тех пор, пока устройство, запросившее ПДП, не исчерпает весь объем данных. Каскадный режим позволяет объединять контроллеры для увеличения количества каналов ПДП.

Приоритеты прямого доступа к памяти Возможны две схемы приоритетов каналов ПДП, выбираемые программно, фиксированный и циклический. Исходная схема фиксированные приоритеты, причем нулевой канал имеет максимальный приоритет, а седьмой минимальный. Во время обслуживания любого запроса ПДП остальные запросы не могут вмешаться, но после завершения обслуживания данного запроса будет обслуживаться запрос с наибольшим приоритетом. Как и в случае контроллера прерываний, возможно программное маскирование каждого канала ПДП. Перед началом работы каждому из каналов контроллера процессор должен указать режим, в котором он будет работать, базовый адрес памяти, с которого начнется обмен, количество передаваемых байтов или слов, направление записи в память или чтения из памяти (от старших адресов к младшим или наоборот). Возможен режим автоинициализации, при котором после окончания пересылки всего массива данных контроллер автоматически восстанавливает все параметры, и для этого не требуется вмешательство процессора. Предусмотрена также возможность программного запроса ПДП, обслуживаемого так же, как и аппаратный запрос.

Системный таймер и часы реального времени В качестве системного таймера компьютера используется микросхема трехканального 16-разрядного таймера i8254 или ее аналог. Таймер предназначен для получения программно управляемых временных задержек и генерации сигналов заданной частоты. Таймер позволяет повысить эффективность программирования процессов управления и синхронизации внешних устройств, особенно в реальном времени.

Режимы счета Таймер содержит три независимых канала (0, 1 и 2), каждый из которых может быть, в принципе, запрограммирован на работу в одном из шести режимов счета: прерывание терминального счета; программируемый генератор одиночного импульса; генератор импульсов заданной частоты; генератор прямоугольных импульсов типа "меандр"; программно формируемый строб; аппаратно формируемый строб.

Работа таймера На каждый канал могут подаваться входные синхросигналы. Из каждого канала можно получать сигнал с частотой, равной входной частоте, деленной на произвольное 16-разрядное число. В компьютере на все входы поступают синхросигналы частотой 1,19 МГц. Все каналы таймера в компьютере имеют специальное назначение, поэтому особой свободы в выборе режима работы или переназначении функций у пользователя нет. Выход канала 0 связан с сигналом запроса прерывания IRQ0 и обеспечивает прерывание для счетчика реального времени (используется режим работы 3). Пользователю не рекомендуется перепрограммировать этот канал. При старте компьютера канал программируется так, чтобы выдавать импульсы примерно 18,2 раза в секунду. По этому прерыванию программно увеличивается состояние счетчика реального времени. Пользователь может читать состояние данного счетчика из специально выделенной ячейки памяти и применять его для задержек в своих программах. Выход канала 1 генерирует сигнал запроса регенерации динамической памяти (режим работы 2). Использование этого канала не по назначению может привести к потере содержимого оперативной памяти. Выход канала 2 генерирует тональный сигнал для встроенного динамика компьютера (режим работы 3). Однако разрешение этого тонального сигнала производится установкой выделенных разрядов (0 и 1) программно доступного параллельного порта контроллера периферийных устройств. Один разряд (0) разрешает работу канала, другой разряд (1) пропускает выходной сигнал на динамик.

Подсистема реального времени Подсистема часов реального времени в первых компьютерах выполнялась на микросхеме контроллера MC фирмы Motorola. Этот контроллер содержит 64 байта СMOS-памяти, из которых первые 14 байт используются для часов реального времени, а остальные 50 байт хранят информацию о конфигурации системы. Для входного тактового сигнала контроллера применяется специальный "часовой" кварцевый генератор с частотой к Гц, что позволяет с помощью деления частоты получить импульсы с частотой 1 Гц. Контроллер считает секунды, минуты, часы, дни недели, месяцы и годы. Причем работает он даже при отключении питания компьютера, подпитываясь от батареи или аккумулятора. Это позволяет сохранять информацию о текущем времени.

Средства интерфейса пользователя Для связи компьютера с пользователем (то есть организации интерфейса пользователя) применяются видеоадаптер, управляющий видеомонитором, клавиатура и графический манипулятор типа "мышь" (mouse), touch pad или stick pointer. Видеоадаптер представляет собой устройство сопряжения компьютера с видеомонитором и чаще всего выполняется в виде специальной платы расширения, вставляемой в системную шину или локальную шину компьютера. При этом изображение, формируемое на экране монитора, хранится в видеопамяти, входящей в состав видеоадаптера. Видеопамять представляет собой оперативную память, которая, хотя и не является, по сути, системной памятью, рассматривается процессором как часть системной памяти с адресами A0000 BFFFF (всего 128 Кбайт). То есть с этой памятью процессор может взаимодействовать как с системной оперативной памятью: писать информацию в любую ячейку и читать информацию из любой ячейки. Но одновременно эта же память постоянно сканируется (то есть последовательно опрашивается) самим видеоадаптером для формирования растрового изображения на экране монитора. То есть доступ к этой памяти имеют как процессор, так и видеоадаптер.

Обмен с видеопамятью Скорость обмена с видеопамятью довольно важный параметр, он влияет на удобство работы с компьютером и часто определяет круг задач, который может им выполняться. Поэтому для видеопамяти используют самые быстродействующие микросхемы. Применяют специальные архитектурные решения, позволяющие облегчить разделение доступа к памяти со стороны процессора и видеоадаптера. Например, в случае двухпортовой памяти VRAM Video RAM, к каждой ее ячейке одновременно могут получить доступ (с записью или чтением) как процессор, так и сам адаптер. Все современные видеоадаптеры могут работать в двух основных режимах: текстовом (символьном, алфавитно- цифровом) и графическом. В текстовом режиме видеопамять имеет начальный адрес B8000, а в графическом А0000.

Текстовый режим обмена с видеопамятью В текстовом режиме на экран можно выводить только отдельные символы, причем только в определенные позиции на экране. При этом в видеопамяти хранятся исключительно коды выводимых символов (8-разрядные) и коды атрибутов символов (8-разрядные). То есть каждой символьной позиции на экране соответствует два байта памяти. К атрибутам символа относятся яркость, цвет, мерцание как символа, так и его фона. Для преобразования содержимого памяти в видеосигнал точечного изображения применяется так называемый знакогенератор. Он может представлять собой ПЗУ, в котором записано построчное растровое изображение каждого символа. При этом чем больше точек растра отводится под изображение символа, тем он качественнее, но тем больше места занимает на экране. Преимущества текстового режима это простота управления экраном и малый объем требуемой памяти. Примером его использования является программа начального запуска BIOS.

Графический режим работы В графическом режиме в видеопамяти хранится описание каждой точки на экране монитора. Каждой точке соответствует несколько бит памяти (используется ряд: 1, 4, 8, 16, 24 бит на одну точку). При этом, соответственно, каждая точка может иметь 2 n состояний, где n количество битов, а под состоянием понимается цвет и яркость точки. При одном бите точка может быть белой или черной, при 4 битах она может иметь 16 цветов, при 8 битах 256, при 16 битах , а при 24 битах цветов и оттенков. Общее количество точек на экране в современных компьютерах выбирается из ряда 640 (по горизонтали) x 480 (по вертикали), 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200. Отсюда нетрудно рассчитать требуемый для полного экрана объем видеопамяти. Так, например, при разрешении 800x600 точек и при 256 цветах (8 бит или 1 байт) требуется 800x600x1 = байт памяти. При разрешении 1024x768 и цветов (2 байта) требуется 1024x768x2 = байта. Однако объем видеопамяти выбирается из следующего ряда: 256 Кбайт, 512 Кбайт, 1 Мбайт, 2 Мбайт, 4 Мбайт, 8 Мбайт, 16 Мбайт.

Оптимизация работы видеосистемы Для полного обновления такого большого объема памяти требуется значительное время даже при быстрой видеопамяти и быстром процессоре. В роли ограничивающего фактора будет выступать темп обмена по системной шине. Поэтому именно видеоадаптеры первыми стали размещать на локальной шине VLB или на шине PCI, а позднее на выделенной шине AGP. Другое направление ускорения формирования изображения совершенствование принципов обмена с компьютером. Первые видеоадаптеры были рассчитаны на то, чтобы все манипуляции с изображением проводил сам центральный процессор компьютера. Принципиально иной подход использование графического сопроцессора. При этом центральный процессор только дает команды на формирование изображения, а сопроцессор, расположенный на плате видеоадаптера, сам уже выполняет всю обработку, расчеты и формирование объектов на экране, что дает большое увеличение скорости формирования изображений. Промежуточный вариант это применение так называемых графических ускорителей, то есть узлов, выполняющих наиболее трудоемкие операции по формированию изображений, но центральный процессор при этом не освобождается полностью от управления видеопамятью.

Режимы работы видеодисплеев В настоящее время наиболее распространены два стандарта дисплеев: SVGA (Super VGA), который поддерживает максимальное разрешение 1024 х 768 точек (стандартным считается 800 х 600 точек) в 16- и 256-цветных режимах при максимальном объеме видеопамяти 4 Мбайт. Кроме того, предусмотрено использование двухпортовой памяти и 16-разрядной шины данных и ряд других новшеств. XGA и XGA-2 (eXtended Graphics Array) эти стандарты предложены в 1990 и 1992 г.г. компанией IBM. Основным режимом считается разрешение 1024 х 768 точек при 256 цветах (XGA) или при 64 К цветах (XGA-2). Отличительная особенность использование быстродействующего графического сопроцессора и наличие возможности управлять системной шиной, что позволяет выполнять видеооперации без участия центрального процессора. Так же, как и в SVGA, используется двухпортовая оперативная память, причем она располагается в адресном пространстве компьютера в последних адресах полной 4-гигабайтной области, на которые обычно никто не претендует. В XGA-2, в отличие от XGA, используется только прогрессивная (сплошная, non-interlaced, NI), а не чересстрочная (interlaced) развертка изображения на экране монитора, что обеспечивает малые мерцания. Оба стандарта поддерживают полную совместимость с SVGA. UVGA (Ultra VGA) основным разрешением считается 1280 х 1024 точек. UXGA разрешение 1600 х 1200 точек, XVGA 1280 х 768 точек.

Клавиатура Для подключения к компьютеру клавиатуры применяется специальный интерфейс с последовательной передачей информации. Это позволяет использовать для присоединения клавиатуры всего два двунаправленных провода (линия данных и тактовый сигнал). Обмен информацией идет 11-битовыми посылками, включающими 8 разрядов данных и служебную информацию (то есть стартовый бит, бит четности и стоповый бит). В компьютере IBM PC XT для подключения клавиатуры использовалась микросхема PPI (Programmable Peripheral Interface) i8255, а в PC AT микросхема UPI (Universal Peripheral Interface) i8042. Принцип работы клавиатуры довольно прост. Он сводится к постоянному сканированию (последовательному опросу) всех клавиш (обычно применяется 101-клавишная клавиатура) и к пересылке в компьютер номера нажатой клавиши (8-битного скэн-кода), причем как при ее нажатии, так и при отпускании. При отпускании клавиши ее скэн-код предваряется посылкой кода F0. Если клавиша удерживается длительное время, то через заданный интервал посылки ее скэн-кодов повторяются с заданной частотой. Если одновременно нажимается более одной клавиши, то повторяется посылка кода только последней из нажатых клавиш. При получении скэн-кода контроллером 8042 он формирует сигнал запроса аппаратного прерывания IRQ1. Это приводит к вызову программы обработки нажатия клавиши, находящейся в BIOS. Служебные клавиши (Shift, Сtrl, Alt) и переключающие клавиши (Caps Lock, Insert, Num Lock) обрабатываются специальным образом, а в случае нажатия символьных клавиш их скэн-коды преобразуются в коды соответствующих символов и помещаются в буфер клавиатуры. Буфер клавиатуры это 16-байтная область памяти, организованная по принципу FIFO "первый вошел первый вышел", в которой хранятся коды нажатых клавиш до тех пор, пока их сможет обработать программа.

Внешняя память Внешняя память компьютера представляет собой дисковые накопители информации встроенный накопитель на жестком диске (винчестер) и накопитель на сменных гибких дисках (дискетах). В обоих случаях магнитные диски хранят информацию в виде намагниченных концентрических дорожек (цилиндров) на магнитном покрытии, разбитых на сектора. Диск в накопителе постоянно вращается, а запись и чтение информации производятся перемещаемыми вдоль радиуса диска магнитными головками. Благодаря постоянному прогрессу технологии производства накопителей, развитию технологии магнитных покрытий и магнитных головок, емкость винчестеров повысилась до нескольких десятков гигабайт, а емкость дискет до сотен мегабайт (правда, стандартным пока считается объем дискеты 1,44 Мбайт).

Интерфейсы жестких дисков Важный параметр любого дисковода это его быстродействие, которое определяется, с одной стороны, достижимой скоростью записи/чтения информации, а с другой временем позиционирования (то есть установки в нужное положение) магнитной головки дисковода. В настоящее время наиболее распространены два стандартных интерфейса для винчестеров: IDE (Integrated Drive Electronics) интерфейс для дисковых накопителей, официальное название ATA (AT Attachment). Именно этот интерфейс применяется в качестве основного в персональных компьютерах. Скорость обмена может достигать 133 Мбайт/с. SCSI (Small Computer System Interface) малый компьютерный системный интерфейс. В принципе, он используется и для подключения других устройств (например, сканеров), но основное его применение для дисководов. Как правило, данный интерфейс изначально включается в структуру только некоторых серверов, а для его реализации в персональных компьютерах необходима дополнительная плата расширения (кстати, довольно дорогая). Скорость обмена может достигать 320 Мбайт/с.

Кэширование дисков Для ускорения обмена с дисками широко применяется кэширование, принцип которого близок к принципу кэширования оперативной памяти. Точно так же кэширование диска позволяет за счет использования более быстрой электронной памяти, чем дисковая память, существенно увеличить среднюю скорость обмена с диском: в большинстве случаев каждое следующее обращение к диску будет обращением к следующему по порядку блоку информации на диске; для позиционирования головки требуется заметное время (порядка миллисекунды); искомый сектор на диске может не оказаться под головкой после ее установки, и потребуется ждать его прихода.

Кэширование дисков (продолжение) Гораздо выгоднее содержать в оперативной памяти (дисковой кэш-памяти) копию части диска и обращаться на диск только в том случае, если нужной информации нет в кэш-памяти. Для обмена с кэш-памятью, как и в случае оперативной памяти, используются методы Write Through (WT) и Write Back (WB). Так как винчестер это блочно-ориентированное устройство (размер блока равен 512 байт), то данные передаются в кэш блоками. При заполнении кэш-памяти в нее переписываются не только необходимые в данный момент блоки, но и следующие за ними (метод "чтение вперед", Read Ahead), дальнейшее обращение к которым наиболее вероятно. Особенно эффективно кэширование при оптимизации жесткого диска (его дефрагментации), когда каждый файл расположен в группе секторов, следующих друг за другом. Как и в случае кэширования памяти, при кэшировании диска используется механизм LRU, позволяющий обновлять те блоки, к которым дольше всего не было обращений. Кэш-память диска обычно располагается на плате специального кэш- контроллера дисковода, и ее объем может достигать 16 Мбайт.