Принципы построения компьютерного и периферийного оборудования

Обновлено: 07.07.2024

Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению:

1. Устройства ввода информации – 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), координатные манипуляторы (мышь, трэкбол, пойнтер, джойстик), сканер, графический планшет и т.д.

2. Устройства вывода – предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: монитор (дисплей), принтер, аудиосистема.

3. Устройства хранения информации (накопители информации) - предназначены для долговременного хранения различных объемов информации с возможностью последующего ввода ее непосредственно в ПК или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести различные внутренние и внешние накопители (накопители на жестких и гибких магнитных дисках, ленточные, магнитооптические и другие накопители).

4. Устройства передачи (обмена) информации - предназначены для преобразования информации при ее передаче между компьютерами по телефонной сети. К ним относятся модемы (факс-модемы).

5. Дополнительные ПУ – такие как WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК, устройства бесперебойного питания, а так же некоторые неспецифические устройства, подключаемые к ПК (цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны и т.д.).

В состав ЭВМ входят следующие компоненты:

- центральный процессор (CPU);

- оперативная память (memory);

- устройства хранения информации (storage devices);

- устройства ввода (input devices);

- устройства вывода (output devices);

- устройства связи (communication devices).

Процесс общения процессора с внешним миром через устройства ввода-вывода по сравнению с информационными процессами внутри него протекает в сотни и тысячи раз медленнее. Это связано с тем, что устройства ввода и вывода информации часто имеют механический принцип действия (принтеры, клавиатура, мышь) и работают медленно.

Чтобы освободить процессор от простоя при ожидании окончания работы таких устройств, в компьютер вставляются специализированные микропроцессоры-контроллеры (от англ. controller — управляющий). Получив от центрального процессора компьютера команду на вывод информации, контроллер самостоятельно управляет работой внешнего устройства. Окончив вывод информации, контроллер сообщает процессору о завершении выполнения команды и готовности к получению следующей.

Число таких контроллеров соответствует числу подключенных к процессору устройств ввода и вывода. Так, для управления работой клавиатуры и мыши используется свой отдельный контроллер. Известно, что даже хорошая машинистка не способна набирать на клавиатуре больше 300 знаков в минуту, или 5 знаков в секунду. Чтобы определить, какая из ста клавиш нажата, процессор, не поддержанный контроллером, должен был бы опрашивать клавиши со скоростью 500 раз в секунду. Конечно, по его меркам это не бог есть какая скорость. Но это значит, что часть своего времени процессор будет тратить не на обработку уже имеющейся информации, а на ожидание нажатий клавиш клавиатуры.

Таким образом, использование специальных контроллеров для управления устройствами ввода- вывода, усложняя устройство компьютера, одновременно разгружает его центральный процессор от непроизводительных трат времени и повышает общую производительность компьютера.

1.1 Устройства хранения информации используются для хранения информации в электронной форме. Любая информация — будь это текст, звук или графическое изображение, — представляется в виде последовательности нулей и единиц. Ниже перечислены наиболее распространенные устройства хранения информации.

Винчестеры (hard discs)

Жесткие диски — наиболее быстрые из внешних устройств хранения информации. Кроме того, информация, хранящаяся на винчестере, может быть считана с него в произвольном порядке (диск — устройство с произвольным доступом).

Емкость диска современного персонального компьютера составляет десятки гигабайт. В одной ЭВМ может быть установлено несколько винчестеров.

Оптические диски (cdroms)

Лазерные диски, как их еще называют, имеют емкость около 600 мегабайт и обеспечивают только считывание записанной на них однажды информации в режиме произвольного доступа. Скорость считывания информации определяется устройством, в которое вставляется компакт-диск (cdrom drive).

В отличие от оптических дисков магнито- оптические диски позволяют не только читать, но и записывать информацию.

Флоппи диски (floppy discs)

В основе этих устройств хранения лежит гибкий магнитный диск, помещенный в твердую оболочку. Для того чтобы прочитать информацию, хранящуюся на дискете, ее необходимо вставить в дисковод (floppy disc drive) компьютера. Емкость современных дискет всего 1.44 мегабайта. По способу доступа дискета подобна винчестеру.

Zip and Jaz Iomega discs

Это относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Их можно рассматривать, как быстрые и большие по емкости (100 мегабайт — Zip, 1 гигабайт — Jaz) дискеты.

Магнитные ленты (magnetic tapes)

Современные магнитные ленты, хранящие большие объемы информации (до нескольких гигабайт), внешне напоминают обычные магнитофонные кассеты и характеризуются строго последовательным доступом к содержащейся на них информации.

1.2 Устройства ввода передают информацию в ЭВМ от различных внешних источников. Информация может быть представлена в весьма различных формах:

текст — для клавиатуры (keyboard),

звук — для микрофона (microphone),

изображение — для сканера (scanner).

Одно из самых распространенных на сегодня устройств ввода информации в компьютер. Она позволяет нажатием клавиш вводить символьную информацию.

Ключевой принцип работы клавиатуры заключается в том, что она воспринимает нажатия клавиш и преобразует их в двоичный код, индивидуальный для каждой клавиши.

Но указывать место на экране монитора, в котором компьютер что-то должен изменить, с помощью клавиатуры неудобно. Для этого существует специальное устройство ввода — мышь.

Принцип ее действия основан на измерении направления и величины поворота шарика, находящегося в нижней части мыши. Когда мы перемещаем мышь по поверхности стола, шарик поворачивается. Специальные датчики измеряют поворот шарика. После преобразования результатов измерения в двоичный код они передаются в компьютер. По ним процессор выводит на экран условное изображение указателя (обычно в форме стрелки). Существуют разновидности этого устройства — оптические мыши, принцип действия которых основан на отслеживании перемещения луча света. Часто для них требуется специальный металлический коврик.

Мышь не позволяет вводить числовую и буквенную информацию, но удобна для работы с графическими объектами, изображенными на экране.

Сканер — устройство ввода графической информации. Его особенность — способность считывать изображение непосредственно с листа бумаги.

Принцип действия сканера напоминает работу человеческого глаза. Освещенный специальным источником света, находящимся в самом сканере, лист бумаги с текстом или рисунком "осматривается" микроскопическим "электронным глазом". Диаметр участка изображения, воспринимаемого таким "глазом", составляет 1/20 миллиметра и соответствует диаметру человеческого волоса. Яркость считываемой в данный момент точки изображения кодируется двоичным числом и передается в компьютер. Для того чтобы осмотреть стандартный лист бумаги, "электронному глазу" приходится строку за строкой обходить его, передавая закодированную информацию об освещенности каждой точки изображения в компьютер.

Периферийные устройства обеспечивают ввод-вывод информации и хранение массивов данных, программ пользователей и системного математического обеспечения.

Типы периферийных устройств

В зависимости от функций, выполняемых компьютерной системой, периферийные устройства могут подразделяться на две основные группы.

К первой группе относятся те периферийные устройства, наличие которых абсолютно необходимо для функционирования компьютерной системы. Их обычно называют системными периферийными устройствами. К этой группе относятся видеомонитор, клавиатура, накопитель на гибком магнитном диске, накопитель на жестком магнитном диске и печатающее устройство (принтер).

Ко второй группе периферийных устройств относятся накопители на магнитной ленте, устройства для ввода графической информации, устройства для вывода графической информации (плоттеры), модем, сканер, аудиоплата, мышь, коммуникационные адаптеры и другие. Они предоставляют профессиональному компьютеру дополнительные возможности. Однако наличие их в его конфигурации определяется конкретной областью деятельности. В связи с этим данная группа носит название дополнительных периферийных устройств.

Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством в компьютере предусмотрен внешний интерфейс, то есть набор проводов, соединяющих компьютер и периферийное устройство, а также набор правил обмена информацией по этим проводам.

Со стороны периферийного устройства интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления.

Периферийные устройства могут принимать от компьютера как данные, так и команды управления, в ответ на которые периферийное устройство может выполнить специальные действия. Периферийное устройство использует внешний интерфейс для приема и передачи информации, то есть обмен данными является двунаправленным.

Контроллеры периферийного устройства принимают команды и данные от процессора в свой внутренний буфер, который часто называется регистром или портом, затем выполняют необходимые преобразования этих данных и команд в соответствии с форматами, понятными ПУ, и выдают их на внешний интерфейс.

Многомашинные комплексы и многопроцессорные системы

В настоящее время исключительно важное значение приобрела проблема обеспечения высокой надежности и готовности вычислительных систем, работающих в составе различных АСУ и АСУ ТП, особенно при работе, в режиме реального времени. Эта проблема решается на основе использования принципа избыточности, который ориентирует также на построение многомашинных или многопроцессорных систем (комплексов). Появление дешевых и небольших по размерам микропроцессоров и микро-ЭВМ облегчило построение и расширило область применения многопроцессорных и многомашинных ВС разного назначения Различие понятий многомашинной и многопроцессорной ВС поясняет рис.6.1. Многомашинная ВС (ММС) содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою ОП и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит, в конечном счете, путем взаимодействия операционных систем машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в системе, изображенной на рис.6.1,а в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Этих недостатков лишены многопроцессорные системы (МПС). В таких системах (рис. 6.1,б) процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким, как модули памяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы в нужном количестве. Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти. Под общим полем понимается равнодоступность устройств. Так, общее поле памяти означает, что все модули ОП доступны всем процессорам и каналам ввода-вывода (или всем периферийным устройствам в случае наличия общего интерфейса); общее поле ВЗУ означает, что образующие его устройства доступны любому процессору и каналу. В МПС по сравнению с ММС достигается более быстрый обмен информацией между процессорами и поэтому может быть получена более высокая производительность, более быстрая реакция на ситуации, возникающие внутри системы и в ее внешней среде, и более высокие надежность и живучесть, так как система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств. Многопроцессорные системы представляют собой основной путь построения ВС сверхвысокой производительности. При создании таких ВС возникает много сложных проблем, к которым в первую очередь следует отнести распараллеливание вычислительного процесса (программ) для эффективной загрузки процессоров системы, преодоление конфликтов при попытках нескольких процессоров использовать один и тот же ресурс системы (например, некоторый модуль памяти) и уменьшение влияния конфликтов на производительность системы, осуществление быстродействующих экономичных по аппаратурным затратам межмодульных связей. Указанные вопросы необходимо учитывать при выборе структуры МПС. Многомашинные и многопроцессорные системы могут быть однородными и неоднородными. Однородные системы содержат однотипные ЭВМ или процессоры. Неоднородные ММС состоят из ЭВМ различного типа, а в неоднородных МПС используются различные специализированные процессоры, например процессоры для операций с плавающей запятой, для обработки десятичных чисел, процессор, реализующий функции операционной системы, процессор для матричных задач и др. Многопроцессорные системы и ММС могут иметь одноуровневую или иерархическую (многоуровневую) структуру. Обычно менее мощная машина (машина-сателлит) берет на себя ввод информации с различных терминалов и ее предварительную обработку, разгружая от этих сравнительно простых процедур основную, более мощную ЭВМ, чем достигается увеличение общей производительности (пропускной способности) комплекса. В качестве машин-сателлитов используют малые или микро-ЭВМ. Важной структурной особенностью рассматриваемых ВС является способ организации связей между устройствами (модулями) системы. Он непосредственно влияет на быстроту обмена информацией между модулями, а следовательно, на производительность системы, быстроту ее реакции на поступающие запросы, приспособленность к изменениям конфигурации и, наконец, размеры аппаратурных затрат на осуществление межмодульных связей. В частности, от организации межмодульных связей зависят частота возникновения конфликтов при обращении процессоров к одним и тем же ресурсам (в первую очередь модулям памяти) и потери производительности из-за конфликтов.

Принципы организации МПС и ММС существенно отличаются в зависимости от их назначения. Поэтому целесообразно различать:

ВС, ориентированные в первую очередь на достижение сверхвысокой производительности;

ВС, ориентированные в первую очередь на повышение надежности и живучести.

Всем понятно, что запросы со стороны ПУ на установление связи и обмен данными могут поступать в произвольные моменты времени. Следовательно, для организации обмена требуются специальные электронные средства согласования форматов и синхронизации процессов. С их помощью решают проблемы индивидуального интерфейса каждого периферийного устройства, подключаемого к системной шине ПК.

При организации ПК используются принцип модульности и принцип магистральности.

Модульность предполагает построение системы из модулей со стандартным интерфейсом.

Под модулем понимается печатная плата (плата расширения), на которой реализован адаптер или контроллер, соединяющий периферийное устройство с шиной.

Возможность подключения модулей к системной шине обеспечивает гибкость в выборе и изменении состава системы.

Принцип магистральности означает использование для информационного обмена между устройствами ПК магистралей (шин), к которым подключаются модули.

В современных компьютерах используется иерархия шин, отличающихся пропускной способностью, набором сигналов и протоколом. Принципы организации информационного взаимодействия модулей по шинам являются общими для всех шин. Важнейшими принципами являются:

· принцип унификации характеристик модулей.

Принцип подчиненности предполагает, что одно из обменивающихся информацией по шине устройств является ведущим, управляющим процессом обмена, а другое (или несколько других) – ведомыми.

Активное устройство -- пассивное устройство

Инициирующее устройство – целевое устройство

bus masters - bus slaves

Принцип квитирования базируется на использовании специального сигнала quit(квитации), формируемого ведомым устройством и используемого ведущим как разрешение завершения цикла обмена. Это позволяет организовать обмен между модулями с различным быстродействием.

Принцип унификации характеристик модулей состоит в обеспечении

o информационной,

o электрической

o конструктивной совместимости интерфейсов модулей ВС.

Информационная совместимость – одинаковый состав управляющих сигналов в линиях шины, форматов адресов и данных, а также протоколов обмена, устанавливающих причинно-следственные связи и временные интервалы между сигналами.

Электрическая совместимость – это согласованность параметров электрических сигналов, нагрузочной способности источников сигнала и входных токов приемников, паразитных параметров линий связи.

Конструктивная совместимость – это унификация модулей, шины и корпуса ВМ по конструктивным параметрам: размерам, типам соединителей, месту их установки.

К основным принципам организации шинных интерфейсов следует отнести применение контроллеров(адаптеров) ввода-вывода, с помощью которых ПУ через шину связываются с ЦП.

Проблемы организации обмена данными между периферийными устройствами и вычислительным ядром (процессором и ОП) связаны с асинхронным характером процессов, обусловленных случайным характером событий, инициирующих начало и конец обмена. В ВС используют три способа организации обмена, каждый из которых по-разному решает отмеченные проблемы:

- программно-управляемая передача, инициируемая процессором

- передача информации с прерыванием программы, активизируемая по запросу прерывания от периферийного устройства

- передача информации в режиме прямого доступа к памяти.

Основная программа Основная программа

При программно-управляемой передаче обмен осуществляется под управлением ЦП. Операции ввода вывода при таких обменах инициируются текущей командой программы.

Программно-управляемая синхронная передача (рис. 1)применяется при взаимодействии с быстродействующими ПУ, для обмена с которыми не требуется дополнительной синхронизации (такие устройства ввода-вывода всегда готовы к обмену информацией). Этот способ передачи реализуется при минимальных затратах аппаратных и программных средств.

Асинхронный обмен (рис.2)является более универсальным и более сложным способом программно-управляемого обмена. Он используется при работе с ПУ, быстродействие которых ниже быстродействия ЦП. И тогда приходится использовать специальные средства, синхронизирующие процесс приема-передачи. Эти средства содержатся в адаптере(контроллере) ПУ.

Любой адаптер содержит регистр данных(порт данных). В режиме ввода данные из ПУ поступают в порт и хранятся в нем до момента пересылки по шине в вычислительное ядро. В режиме вывода данные записываются в порт процессором и хранятся там до передачи с помощью адаптера в устройство вывода. Большинство адаптеров ПУ кроме регистра данных содержат в своем составе специальные регистры управления (РУ) и состояния(РС). Эти регистры, подключаемые к шине и доступные ЦП для чтения(записи) необходимы для управления процессом обмена. РС отражает факт подключения ПУ и его работоспособность. Один из разрядов этого регистра может использоваться в качестве флага готовности(READY), который устанавливается ПУ при готовности к приему-передаче данных через шину. Проверка готовности к обмену может осуществляться программно или аппаратно.

Недостатком такого способа обмена как программно-управляемая передача являются вынужденные непроизводительные затраты времени ЦП на ожидание готовности ПУ к обмену. Более серьезные последствия возникают в ситуациях, когда по каким-либо причинам(например, из-за возникшей неисправности) сигнал готовности вообще не может быть сформирован ПУ. В такой ситуации ЦП не сможет выйти из режима ожидания, и его работа будет заблокирована. Для исключения подобных ситуаций в современных выч.системах используют специальный программный прием, называемый тайм-аутом.

(Тайм-аут – это средство восстановления работоспособности ВМ при не поступлении сигнала готовности в течение заданного интервала времени.)

Внешние устройства подключаются к портам ввода-вывода, при этом за взаимодействие этих устройств внутри ПК отвечают порты ввода-вывода. Примеры внешних периферийных устройств персонального компью тера – это принтеры, сканеры, внешние (подключаемые извне ПК) приводы CD-/DVD- дисков, камеры, манипулятор «мышь», клавиатура и т.п.

Каждое внутреннее устройство имеет контроллер (от английского слова controller – устройство управления). Для внешних устройств эту функцию выполняет контроллер порта, к которому это устройство подключено. Этот контроллер порта ввода-вывода автоматически перестраивается в режим работы с внешним устройством, подключаемым к этому порту.

Во всем остальном внутренние и внешние периферийные устройства персонального компьютера работают по одним и тем же принципам.

Для обмена данными компьютер и периферийное устройство (ПУ) оснащены внешнимиинтерфейсами или портами (рис. 2.1). В данном случае к понятию "интерфейс" относятся:

электрический разъем;
набор проводов, соединяющих устройства;
совокупность правил обмена информацией по этим проводам.

Со стороны компьютера логикой передачи сигналов на внешний интерфейс управляют:

контроллер ПУ — аппаратный блок, часто реализуемый в виде отдельной платы;
драйвер ПУ – программа, управляющая контроллером периферийного устройства.

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления ПУ, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства.

Рис. 2.1. Связь компьютера с периферийным устройством

Обмен данными между ПУ и компьютером, как правило, является двунаправленным. Так, например, даже принтер, который представляет собой устройство вывода информации, возвращает в компьютер данные о своем состоянии. Таким образом, по каналу, связывающему внешние интерфейсы, передается следующая информация:

данные, поступающие от контроллера на ПУ, например байты текста, который нужно распечатать на бумаге;
команды управления, которые контроллер передает на устройство управления ПУ; в ответ на них оно выполняет специальные действия, например переводит головку диска на соответствующую дорожку или же выталкивает из принтера лист бумаги;
данные, возвращаемые устройством управления ПУ в ответ на запрос от контроллера, например данные о готовности к выполнению операции.

Рассмотрим последовательность действий, которые выполняются в том случае, когда некоторому приложению требуется напечатать текст на принтере. Со стороны компьютера в выполнении этой операции принимает участие, кроме уже названных контроллера, драйвера и приложения, еще один важнейший компонент — операционная система. Поскольку все операции ввода-вывода являются привилегированными, все приложения при выполнении операций с периферийными устройствами используют ОС как арбитра. Итак, последовательность действий такова:

Приложение обращается с запросом на выполнение операции печати к операционной системе. В запросе указываются: адрес данных в оперативной памяти, идентифицирующая информация принтера и операция, которую требуется выполнить.
Получив запрос, операционная система анализирует его, решает, может ли он быть выполнен, и если решение положительное, то запускает соответствующий драйвер, передавая ему в качестве параметров адрес выводимых данных. Дальнейшие действия, относящиеся к операции ввода-вывода, со стороны компьютера реализуются совместно драйвером и контроллером принтера.
Драйвер передает команды и данные контроллеру, который помещает их в свой внутренний буфер. Пусть, например, драйвер загружает значение некоторого байта в буфер контроллера ПУ.
Контроллер перемещает данные из внутреннего буфера во внешний порт.
Контроллер начинает последовательно передавать биты в линию связи, представляя каждый бит соответствующим электрическим сигналом. Чтобы сообщить устройству управления принтера о том, что начинается передача байта, перед передачей первого бита данных контроллер формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита — стоповый сигнал. Эти сигналы синхронизируют передачу байта. Кроме информационных бит, контроллер может передавать бит контроля четности для повышения достоверности обмена.
Устройство управления принтера, обнаружив на соответствующей линии стартовый бит, выполняет подготовительные действия и начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в своем приемном буфере. Если передача сопровождается битом четности, то выполняется проверка корректности передачи: при правильно выполненной передаче в соответствующем регистре устройства управления принтера устанавливается признак завершения приема информации. Наконец, принятый байт обрабатывается принтером — выполняется соответствующая команда или печатается символ.

Обязанности между драйвером и контроллером могут распределяться по-разному, но чаще всего контроллер поддерживает набор простых команд, служащих для управления периферийным устройством, а на драйвер обычно возлагаются наиболее сложные функции реализации обмена. Например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как "Печать символа", "Перевод строки", "Возврат каретки" и т. п.

Драйвер же принтера с помощью этих команд реализует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции (например, подсчет контрольной суммы последовательности передаваемых байтов, анализ состояния периферийного устройства, проверка правильности выполнения команды). Драйвер, задавая ту или иную последовательность команд, определяет тем самым логику работы периферийного устройства. Для одного и того же контроллера можно разработать различные драйверы, которые с помощью одного и того же набора доступных команд будут реализовывать разные алгоритмы управления одним и тем же ПУ.

Возможно распределение функций между драйвером и контроллером (ПУ).

Функции, выполняемые драйвером:

ведение очередей запросов;
буферизация данных;
подсчет контрольной суммы последовательности байтов;
анализ состояния ПУ;
загрузка очередного байта данных (или команды) в регистр контроллера;
считывание байта данных или байта состояния ПУ из регистра контроллера.

Функции, выполняемые контроллером:

преобразование байта из регистра (порта) в последовательность бит;
передача каждого бита в линию связи;
обрамление байта стартовым и стоповым битами – синхронизация;
формирование бита четности;
установка признака завершения приема/передачи байта.

Для некоторых устройств может потребоваться установка драйверов от производителя этого устройства. Для поддержания максимальной производительности компьютера необходимо постоянное обновление драйверов аппаратного обеспечения до последних версий.

Читайте также: