Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Состав вычислительных машин: Процессор, Основная память, Периферийные устройства (ПУ): внешние. - презентация

1 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Состав вычислительных машин: Процессор, Основная память, Периферийные устройства (ПУ): внешние запоминающие устройства (ВЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ). операцией ввода операцией вывода Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ЭВМ в ПУ операцией вывода.

2 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Принципы построения систем ввода-вывода ЭВМ: возможность реализации машин с переменным составом оборудования; одновременная работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода- вывода; стандартизация и унификация операций ввода-вывода; автоматические распознавание и реакция ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

3 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии интерфейс Технология обращения к автономным внешним устройствам интерфейс. Унифицированная технология понятие стандартного интерфейса. Стандартизация интерфейсов ввода-вывода возможности гибкого и оперативного изменения конфигураций вычислительных машин (количество и состав внешних устройств, расширять комплект ЭВМ за счет подключения новых устройств). Концепция виртуальных устройств совмещение различных типов ЭВМ, операционных систем.

4 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Интерфейс ввода-вывода Интерфейс ввода-вывода характеризуется 4 функциями: -буферирование -дешифрация адреса или выбор устройства -дешифрация адреса команды -синхронизация и управление

5 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии В общем случае для организации и проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные средства: специальные управляющие сигналы и их последовательности; устройства сопряжения; линии связи; программы, реализующие обмен. интерфейсом. Весь этот комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, алгоритмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсом.

6 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Стандартный интерфейс Стандартный интерфейс совокупность унифицированных технических программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах обработки информации (СОИ) при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.

7 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Соединение между собой нескольких устройств осуществляется через шины интерфейса. В зависимости от использования можно выделить 3 типа интерфейса: машинно-ориентированный, системный, приборный.

8 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии машинно-ориентированными интерфейсами Под машинно-ориентированными интерфейсами понимают интерфейсы, которые решают задачу подключения конкретного периферийного устройства (УВВ) к ЭВМ конкретного типа. Системный интерфейс Системный интерфейс - сопряжение устройств (модулей), имеющих системное назначение и исполнение, т.е. основное назначение которых создание системы. Системный интерфейс не решает конкретную задачу ввода/вывода, а, прежде всего, стандартизует устройства для решения этой задачи. Приборный интерфейс Приборный интерфейс предназначен для соединения различных приборов, в т.ч. работающих автономно от ЭВМ.

9 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии В зависимости от типа соединяемых устройств различаются: внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ; интерфейс ввода-вывода для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.); интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) для сопряжения различных ЭВМ (например, при образовании вычислительных сетей); интерфейсы «человек машина» для обмена информацией между человеком и ЭВМ.

10 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии По способу передачи адресов и данных различают: Интерфейс с совмещенным шинам адреса и данных Интерфейс с разделенными шинам адреса и данных Интерфейс может быть внутриплатный, межплатный и межблочный. По способу передачи информации различают: последовательный и параллельный интерфейс синхронный и асинхронный интерфейс

11 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Недостаток последовательного интерфейса – низкое (?) быстродействие (устранение недостатка – использование новейших достижений физики и технологии коммуникаций). Недостаток параллельного интерфейса связан, с так называемым, "перекосом" информации из-за различного времени передачи по параллельным физическим линиям. (Наиболее простой способ устранения последнего недостатка - это стробирование передаваемых сигналов).

12 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Синхронный интерфейс – сигнал на физических линиях поддерживается в течении заранее заданного времени. Точка отсчета заданного времени осуществляется за счет подачи сигнала строба или синхронизации. Синхронизация должна работать исходя из быстродействия самого медленного устройства, подключенного к интерфейсу.

13 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии При асинхронном способе о каждой передаче должно быть сообщено дополнительно либо с помощью специальных сигналов в начале и конце передачи, либо по специальным линиям. Прием последующей информации производится только после получения подтверждения о приеме предыдущей информации, получением так называемого сигнала- квитанции (Передача с квитированием). Для асинхронного интерфейса время передачи информации равно сумме времени передачи управления сигнала по линиям запроса и ответа плюс время передачи самой информации.

14 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии В зависимости от используемых при обмене программно- технических средств интерфейсы ввода-вывода делятся на два уровня: физический и логический. Алгоритмические языки высокого уровня Драйверы ввода-вывода Прерывания DOS BIOS Обмен через порты ввода- вывода с помощью команд IN и OUT Периферийные устройства Логический уровень Физический уровень

15 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии В зависимости от степени участия центрального процессора в обмене данными в интерфейсах может использоваться три способа управления обменом: режим сканирования (синхронный обмен) или программно- управляемая передача (программный способ) ; асинхронный обмен или использование прерываний; прямой доступ к памяти.

16 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Программный способ (режим сканирования) Чтение состояния ПУ Обмен данными Нет ПУ готово к обмену?

17 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Режим сканирования упрощает подготовку к обмену, но имеет ряд недостатков: процессор постоянно задействован и не может выполнять другую работу; при большом быстродействии периферийного устройства процессор не успевает организовать обмен данными.

18 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии В асинхронном режиме центральный процессор выполняет основную роль по организации обмена, но в отличие от режима сканирования не ждет готовности устройства, а осуществляет другую работу. Обмен инициируется УВВ. Процессор должен иметь спец. вход, периодически опрашиваемый. Наличие сигнала на этом входе заставляет процессор отложить исполнение текущей программы и перейти в режим обслуживания прерываний (приоритет и запрет прерываний).

19 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Организация прерываний требует: опознания (идентификации) устройства, запросившего прерывание. сохранения состояния процессора, т.е. его активных регистров для возврата. переход на выполнение спец. программы в зависимости от поступившего прерывания с последующим возвратом. восстановление состояния процессора до прерывания, т.е. восстановление содержимого активных регистров, в т.ч. управления, счетчика команд и т.д. Прерывания могут быть реализованы как аппаратно, так и программно.

20 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии способ обмена данными Прямой доступ к памяти (DMA Direct Memory Access) - способ обмена данными, обеспечивающий автономно от процессора установление связи и передачу данных между основной памятью и внешним устройством. Обмен ведет контроллер прямого доступа к памяти, а не центральный процессор. Контроллер прямого доступа к памяти перед началом обмена программируется с помощью центрального процессора: в него передаются адреса основной памяти и количество передаваемых данных. Об окончании обмена контроллер прямого доступа к памяти сообщает процессору. В этом случае участие центрального процессора косвенное.

21 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Прямой доступ к памяти (ПДП): освобождает процессор от управления операциями ввода- вывода; позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с обменом данными между внешним устройством и основной памятью; производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью основной памяти и внешним устройством.

22 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии При работе в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) контроллер ПДП выполняет следующие функции: принимает запрос на ПДП от внешнего устройства; формирует запрос микропроцессору на захват шин системной магистрали; принимает сигнал, подтверждающий вход микропроцессора в состояние захвата (перехода в z-состояние, при котором процессор отключается от системной магистрали); формирует сигнал, сообщающий внешнему устройству о начале выполнения циклов ПДП; выдает на шину адреса системной магистрали адрес ячейки ОП, предназначенной для обмена; вырабатывает сигналы, обеспечивающие управление обменом данными; по окончании ПДП либо организует повторение цикла ПДП, либо прекращает режим ПДП, снимая запросы на него.

23 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Циклы ПДП выполняются с последовательно расположенными ячейками памяти, поэтому контроллер ПДП имеет счетчик числа переданных байтов. Системная магистраль (СМ) в режиме прямого доступа к памяти используется мультиплексно КПДП и микропроцессором, причем основное управление системной магистралью выполняет КПДП, а МП получает к ней доступ на очень короткие промежутки времени для обмена информацией с основной памятью.

24 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Два стандартных интерфейса для связи ЦП с внешними устройствами: параллельный (типа Centronics) последовательный (типа RS-232). Интерфейс Plug and Play (Включи и играй)

25 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Последовательный интерфейс - ИРПС, который обеспечивает асинхронную передачу постоянного тока (токовая петля) по четырехпроводной дуплексной линии. Линии сигналов интерфейса ИРПС: передаваемые данные принимаемые данные готовность приемника (необязательная цепь)

26 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Формат передаваемой информации: Старт - 1 бит Передаваемые данные - 5, 7 или 8 бит. Условие паритета - 1 бит. Стоп - 1 или 2 бита. Скорость передачи < 9600 бит, L < 500 м, I = 30-50/5-10 для 40 миллиамперной линии; I = 15-25/0-3 для 20 миллиамперной линии.

27 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Последовательный интерфейс - RS-232C: Скорость передачи < бит/с. Длина линии < 15 м Уровни сигналов в Терминальное (DTE) и связное (DCE) оборудование. Первое служит конечным пунктом приема/передачи (terminate - оканчивать). Второе для обеспечения связи (connect - соединять, пример - модем).

28 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Стандартный интерфейс RS-232C аппаратно реализуется с помощью 25 контактного разъема (терминальное оборудование - вилка, связное - розетка). Три группы сигналов интерфейса RS-232C: последовательные данные (первичный и вторичный, прием и передача); управляющие сигналы квитирования; сигналы синхронизации.

29 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Функции сигнальных линий интерфейса RS–232C Номер контакта СокращениеНаправлениеПолное название 1FGОсновная или защитная земля 2TD (TXD)К DCEПередаваемые данные 3RD (RXD)К DTEПринимаемые данные 4RTSК DCEЗапрос передачи 5CTSК DTEСброс передачи 6DSRК DTEГотовность модема 7SGСигнальная земля 8DCDК DTEОбнаружение несущей данных 9К DTE(Положительное контрольное напряжение) 10К DTE(Отрицательное контрольное напряжение) 11QMК DTEРежим выравнивания 12SDCDК DTEОбнаружение несущей вторичных данных

30 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Функции сигнальных линий интерфейса RS–232C Номер контакта СокращениеНаправлениеПолное название 13SCTSК DTEВторичный сброс передачи 14STDК DCEВторичные передаваемые данные 15TCК DTEСинхронизация передатчика 16SRDК DTEВторичные принимаемые данные 17RCК DTEСинхронизация приемника 18DCRК DCEРазделенная синхронизация приемника 19SRTSК DCEВторичный запрос передачи 20DTRК DCEГотовность терминала 21SQК DTEКачество сигнала 22RIК DTEИндикатор звонка 23К DCE(Селектор скорости данных) 24TCК DCEВнешняя синхронизация передатчика 25К DCE(Занятость)

31 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Основные(9) линии интерфейса RS–232C Номер контакта СигналВыполняемая функция 1FGПодключение земли к стойке или шасси оборудования 2TXDПоследовательные данные, передаваемые от DTE к DCE 3RXDПоследовательные данные, принимаемые DTE от DCE 4RTSТребование DTE послать данные к DCE 5CTSГотовность DCE принимать данные от DTE 6DSRСообщение DCE о том, что связь установлена 7SGВозвратный тракт общего сигнала (земли) 8DCDDTE работает и DCE может подключится к каналу связи

32 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Интерфейс RS-232C Стандартный последовательный порт RS–232C имеет форму 25–контактного разъема типа D

33 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Алгоритм организации интерфейса RS–232C Для инициализации начала связи передатчик (DTE) устанавливает низкий уровень на линии DTR, приемник отвечает низким уровням на линии DSR (готовность приема). Обычно при включении питания на этих линиях устанавливается низкий уровень. После установления готовности передатчик устанавливает низкий уровень на шине RTS (request to send). (В модемах после этого в линию связи подается несущий сигнал). Приемник в ответ устанавливает высокий уровень на шинах DCD и CTS (для модемов на DCD шине устанавливается высокий уровень только после набора номера и ответа приемника).

34 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Для фиксирования интервалов времени передачи одного бита используется внутренний тактовый генератор приемника, работающий с частотой в 8, 16, 32 или 64 раза превышающий скорость обмена данными. Для обеспечения оптимальной защищенности сигнала от искажений, шумов и разбросов частоты синхроимпульсов, приемник должен считывать принимаемый бит в середине его длительности

35 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Переход шины из состояния 1 в 0 ("маркер" "пробел") - начало передачи и производится отсчет количества синхроимпульсов, равного половине длительности передаваемого бита. Если после этого состояние линии меняется, то обнаружена помеха и следует начинать все сначала. Если состояние линии не меняется, то есть "0", то считается, что обнаружен стартовый бит и через время, равное половине длительности передаваемого бита, считывается первый бит данных. Эта операция повторяется число раз, на которое запрограммирован интерфейс (5-8 бит) плюс один раз (1 бит) при использовании бита четности.

36 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии После считывания последнего бита данных или бита четности происходит считывание стопового бита (если два стоповых бита, то операция повторяется) в момент, соответствующий середине передачи этого бита. Стоповый бит - высокий уровень линии. При необнаружении стопового бита устанавливается ошибка кадра и все операции повторяются снова.

37 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Представление кода буквы А сигнальными уровнями ТТЛ.

38 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Вид кода буквы А на сигнальных линиях TXD и RXD.

39 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Параллельный интерфейс - обмен одновременно всеми разрядами передаваемой информационной единицы (чаще всего байта или машинного слова) Параллельный интерфейс - интерфейс CENTRONICS (ИРПР-М). В этом интерфейсе можно выделить три группы сигналов и линий: информационные управления заземления и электропитания

40 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Среди сигналов управления наиболее значимыми являются: STROBE (строб) ACKNLG (подтверждение) BUSY (занятость) Кроме того, могут быть линии и соответствующие сигналы: INIT (СБРОС) SLCTIN (ВЫБОР) SLCT (ГОТОВНОСТЬ ПРИЕМНИКА) ERROR (ОШИБКА) PE (КОНЕЦ БУМАГИ) AUTO FD (АВТ. ПЕРЕВОД СТРОКИ)

41 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Алгоритм работы интерфейса CENTRONICS мкс

42 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Интерфейс системной шины Интерфейс системной магистрали (стандарт обмена): - параллельные проводники на материнской плате, которые называются линиями - алгоритмы, по которым передаются сигналы, - правила интерпретации сигналов, - дисциплины обслуживания запросов, специальные микросхемы, обеспечивающие эту работу

43 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Интерфейс системной шины MULTIBUS MULTIBUS – родоначальник системного интерфейса (20 линий адресов, 16 линий данных, 50 управляющих и служебных линий) Для IBM PS-2 в 1987 г. был разработан стандарт «Микроканал» МСА (Micro Channel Architecture). В нем 24-разрядная шина адреса. Шина данных увеличена до 32 бит. стандартISA Для IBM PC XT был разработан стандарт ISA (Industry Standart Architecture), который имеет две модификации для XT и AT. В ISA XT шина данных 8 бит, шина адресов 20 бит, шина управления 8 линий. В ISA AT шина данных увеличена до 16 бит. Стандарт EISA Стандарт EISA (Extended ISA) это жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Стандарт VESA Стандарт VESA (VESA Lokal Bas, или VLB) - расширение стандарта ISA для обмена видеоданными с адаптером SVGA. Стандарт PCI Стандарт PCI (Peripheral Component Interconnect) разработан фирмой Intel для ЭВМ с МП Pentium (дополнительные функции: автоматическая конфигурацая периферийных устройств, работа при пониженном напряжении питания, возможность работы с 64-разрядным интерфейсом).

44 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Стандарт USB Стандарт USB (Universal Serial Bus) универсальный последовательный интерфейс, обеспечивающий обмен со скоростью 12 Мбайт/с и подключение до 127 устройств. Стандарт PCMCIA Стандарт PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) интерфейс блокнотных ПЭВМ для подключения расширителей памяти, модемов, контроллеров дисков и стриммеров, сетевых адаптеров и др. Системная магистраль, выполненная по этому стандарту, имеет минимальное энергопотребление, ШД на 16 линий, ША на 24 линии.

45 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Интерфейсы внешних запоминающих устройств IBM PC Для подключения жестких магнитных дисков: ST506/412; ESDI (Enhanced Small Device Interface); SCSI (Small Computer System Interface); IDE (Integrated Drive Electronics), известный так же как АТА (AT Attachement); EIDE (Enhanced-IDE); SATA.

46 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Способы организации совместной работы периферийных и центральных устройств Три режима связи ЭВМ и внешнего устройства: симплексный полудуплексный дуплексный

47 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Симплексный режим Симплексный режим - передача данных может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает. Полудуплексныйрежим Полудуплексныйрежим - поочередный обмен данными в обоих направлениях. Дуплексный режим Дуплексный режим - передача и прием одновременно в двух встречных направлениях.

48 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Протокол Протокол - способ, с помощью которого интерфейс обеспечивает связь в заданном режиме Аппаратный протокол DTR Программный протокол XON/XOFF Программно-аппаратный протокол RTS/CTS

49 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии аппаратным протоколом DTR Дуплексная связь ЭВМ с внешним устройством (принтером, модемом), при которой осуществляется симплексный режим обмена информацией, извещение внешнего устройства о готовности ЭВМ с помощью сигнала DTR и извещение ЭВМ о готовности внешнего устройства с помощью сигнала DSR, обеспечивается аппаратным протоколом DTR (асинхронный обмен).

50 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Программный протокол XON/XOFF (асинхронный обмен) основан на использовании программно- или аппаратно-реализуемых сигналов XON (код ASCII 17d или llh) и XOFF (код ASCII 19d или 13h), вырабатываемых принимающим устройством. Эти сигналы имеют направленность, противоположную передаваемому информационному потоку. При получении передающей ЭВМ управляющего кода XOFF она должна прекратить передачу информации до появления разрешающего кода XON.

51 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Программно-аппаратный протокол RTS/CTS используется для синхронного обмена информацией между ЭВМ и ее внешним устройством. В соответствии с этим протоколом производится взаимное оповещение взаимодействующих устройств о выполненных ими действиях: сигнал DTR (Data Terminal Ready) «ЭВМ готова к выходу на связь», сигнал RTS (Request То Send) «ЭВМ готова к обмену информацией». сигнал CTS (Clear To Send) «Готов к обмену».

52 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Четыре управляющих сигнала DTR, DSR, RTS, CTS вырабатываются ЭВМ и внешним устройством. Анализ поступивших сигналов производится коммуникационной программой. Передаваемые данные в синхронном режиме могут сопровождаться управляющим сигналом от передающего или от приемного устройства (TXD Transmitted Data и RXD Received Data соответственно).

53 Управление внешними устройствами Компьютерные технологии Для взаимодействия со сложными внешними устройствами могут предусматриваться и дополнительные сигналы, например, для модема протокол DTS/CTS содержит сигналы: DCD (Data Carrier Detected) «Есть несущая частота» и RI (Ring Indicator) «Индикатор звонка», информирующий ЭВМ, что по телефонной линии, подключенной к модему, поступили сигналы вызова (звонка), т.е. электрические сигналы, параметры которых отличаются от несущей.