Logo GenDocs.ru


Поиск по сайту:  


Лекции по интерфейсам пользователя (на укр.яз) - файл Конспект лекц.doc


Лекции по интерфейсам пользователя (на укр.яз)
скачать (86.1 kb.)

Доступные файлы (1):

Конспект лекц.doc590kb.12.11.2008 22:13скачать

содержание

Конспект лекц.doc

  1   2   3   4
Реклама MarketGid:
Відкритий міжнародний університет розвитку людини

"Україна"

Конспект лекцій


З дисципліни Інтерфейси користувача

З підготовки бакалавра

Напряму комп'ютерні науки

Спеціальності програмне забезпечення автоматизованих систем


Івано-Франківськ

2007р


ЗМІСТ


Введення

Розділ 1. Основні принципи побудови систем введення-виведення і

інтерфейсів

1.1. Роль і місце систем введення-висновку і інтерфейсів в комп'ютері

1.2. Основні принципи організації передачі інформації в обчислювальних системах

1.3. Комп'ютерні комунікації і інтерфейси

1.4. Системні інтерфейси і шини розширення

1.5. Інтерфейси периферійних пристроїв

1.6. Структура систем введення-висновку

1.7. Основні функції і принципи побудови інтерфейсів.

Розділ 2 Шини розширення

2.1. Шина ISA

2.2. Шина PCI

2.3. Шина AGP

Розділ 3 Універсальні інтерфейси периферійних пристроїв

3.1 Інтерфейс SCSI

3.2 Шина USB

Розділ 4 Комп'ютерний лабораторний практикум

4.1. Шина ISA

4.2. Шина PCI

4.3. Таймер

4.4. Адаптер паралельного інтерфейсу

4.5. Адаптер послідовного інтерфейсу


ВВЕДЕННЯ

При вивченні систем введення-висновку і інтерфейсів необхідно представляти основні принципи побудови засобів обчислювальної техніки, які в основному визначаються тією елементною базою, на якій будуються комп'ютери. З цієї точки зору весь період розвитку обчислювальної техніки від першого комп'ютера до сучасних обчислювальних машин можна розбити на два етапи. Перший - це етап до появи сучасних інтегральних схем і мікропроцесорів. Другий - після їх появи і почала випуску персональних комп'ютерів (ПК).

На першому етапі комп'ютери розроблялися і виготовлялися на своїй власній елементній базі, їх пристрої (процесор, ОЗУ, пристрої управління і т.п.) мали архітектуру і структуру, властиву тільки даному комп'ютеру, зв'язок між пристроями і вузлами здійснювався за допомогою інтерфейсів, використовуваних тільки цим типом обчислювальної машини. Стандарти застосовувалися, але в основному торкалися ПУ, а не внутрішніх устроїв. Тому машини різних фірм були не сумісні по елементній базі, пристроям і конструктивну. Це відносилося як до великих, так і до малих обчислювальних машин. Це машини типу IBM 360 (370), DEC PDP-11, БЭСМ-1 (2,6), ЄС ЕОМ-1033 (1040, 1060), СМ-1 (2,3,4), “Урал”, “Наїрі” і т.д. Кожен тип комп'ютера був певною мірою унікальний.

На другому етапі змінився принцип побудови обчислювальної техніки. Вона стала ґрунтуватися на правилі трьох “М”: модульність, мікропрограмміруємость і магістральность. Модуль представляє з себе функціонально повний і конструктивно закінчений пристрій, що серійно випускається і програмно (мікропрограмний) кероване (що настроюється). Комп'ютери збираються на основі цих модулів за допомогою стандартних каналів зв'язку - інтерфейсів. В цьому випадку модулі (пристрої) випускають одні фірми, а виготовляють комп'ютер - інші. Модулі конструктивно і функціонально різноманітні, але сумісні по своїх інтерфейсах. Модулі випускаються у вигляді мікросхем різного типа (МП, пам'ять, Chipset), знімної платні (материнська плата, платня розширення), різних типів ПУ. Функціонально вони відповідають тим пристроям, які реалізують перетворення, зберігання і передачу інформації: процесор, ОЗУ, схема управління, пристрою введення і висновку і т.п.

На другому етапі істотно зросла роль стандартизації, без якої розробка і випуск комп'ютерів став неможливий.

Роль і значення систем введення-висновку і інтерфейсів останнім часом істотно зросла. Це зв'язано, перш за все, з швидким зростанням продуктивності мікропроцесорів. Частота їх роботи має значення в сотні мегагерц (Pentium III), збільшується їх розрядність: 32, 64, 128, 256 біта. Росте місткість оперативних пристроїв, що запам'ятовують, досягаючи сотень мегабайт і гігабайт. Зменшується час доступу ОЗУ, складаючи одиниці і долі наносекунд. Збільшується кількість ПУ, що підключаються до комп'ютера, росте їх швидкість роботи. Місткість модуля жорстких магнітних дисків вже складає десяток гігабайт. Збільшується об'єм графічної інформації, що виводиться на монітор, широко використовується 3- мірної графіки, “живе відео”.

Все це вимагає відповідного збільшення швидкості передачі інформації до сотень мегабайт в секунду і більш і такої організації взаємозв'язку пристроїв в обчислювальній системі, яка б виключала втрати процесорного часу і рівномірно завантажувала б роботою всі пристрої комп'ютера.

Навчальний посібник присвячений розгляду ролі і місця систем введення-висновку і інтерфейсів в обчислювальних системах, викладу принципів їх побудови і функціонування. Воно містить матеріали про найбільш широко використовувані інтерфейси ISA, PCI, AGP SCSI,USB, а також комп'ютерні лабораторні роботи, що полегшують і допомагають вивченню цих матеріалів.

Навчальний посібник призначений для студентів, що спеціалізуються у області обчислювальної техніки і програмування. Знання інтерфейсів дозволить розробнику апаратуру більш грамотно підійти до вибору варіанту, відповідного поставленому завданню. Знання матеріалів цієї допомоги необхідні системним інтеграторам. Без цих знань вони не зможуть підібрати необхідний набір пристроїв і оптимально об'єднати їх в систему. Відомості навчального посібника допоможуть системним програмістам при розробці власних драйверів ПУ або адаптувати чужі розробки.

У основі навчального посібника лежать курси лекцій “Комп'ютерні комунікації і периферія, “Система введення-висновку і інтерфейси, що читаються студентам денних і вечірніх форм навчання МІФІ, а також матеріали книги Гук М. “Інтерфейси ПК”: Довідник - З.-П.: Питер-Ком,1999 і Web-серверів www.ixbt.ru, www.citforum.ru.


Розділ 1. основні принципи побудови і функціонування систем введення-виведення і комп'ютерних інтерфейсів


1.1. Роль і місце систем введення-виведення і інтерфейсів

у комп'ютері

Комп'ютер виконує три основні функції: перетворення, зберігання і передачу інформації.

Відповідно до цього комп'ютер умовно ділиться на три частини. Процесор, який призначений для перетворення інформації. Пам'ять, що виконує функцію зберігання інформації. Процесор і оперативну пам'ять звичайно називають центральним процесором (ЦП). Засоби передачі інформації, які доцільно розділити на дві частини: внутрішні - систему введення-висновку і зовнішні - периферійні пристрої (див. мал. 1.1а).

Таке розділення засобів передачі інформації дозволяє виділити ту частину обчислювальної системи, яка реалізує процеси передачі даних і в значній мірі визначає продуктивність роботи комп'ютера, тобто визначає його якість.

Система введення-висновку призначена для забезпечення передачі інформації між електронними пристроями при реалізації функцій перетворення і зберігання даних і, головне, для зв'язку цих пристроїв з периферійними пристроями. Система введення-висновку реалізується за допомогою відповідних апаратних і програмних засобів.

Периферійні пристрої (ЦП) призначені для передачі інформації між комп'ютером і зовнішнім світом (див. мал. 1.1а). Їх основне призначення полягає в перетворенні різноманіття форм представлення інформації в зовнішньому світі в електричні сигнали, що сприймаються пристроями комп'ютера і зворотного перетворення електронного представлення інформації у форми зрозумілі об'єктам зовнішнього світу. ЦП зв'язуються з центральним процесором за допомогою системи введення-виводу.





































a) Зовнішні джерела

і споживачі інформації.

Клавіатура

Монітор

Миша

Магнитні диски лента


Центральний


Друк
процесор



Оперативний

Запам”ятовуючий

пристрій








Дигітайзер






^ Графо-

побудовувач

Мікро-

процесор




Сканер









Динамік






Мікрофон

Оптичий

Запам”ятовуючий пристрій

Устройства

Відео

Мережа

б)


Переферійні пристрої




Рис.1.1. Інформаційна взаємодія комп'ютера і зовнішнього середовища

Часто процеси і пристрої введення-висновку зводять до поняття “периферія”, в результаті з розгляду зникають питання організації взаємозв'язку пристроїв в комп'ютері і роль цього взаємозв'язку при оцінці його продуктивності.

Питанням організації введення-висновку інформації в обчислювальній системі іноді надають недостатню увагу. Це призводить до того, що при оцінці продуктивності системи часто використовують тільки оцінку продуктивності центрального процесора, а оцінкою системи введення-висновку нехтують.

Це суперечить здоровому глузду. Очевидно, однією з найбільш правильних оцінок продуктивності системи є час відповіді (час між моментом введення завдання і отримання результату), який враховує всі накладні витрати, пов'язані з виконанням завдання в системі, включаючи процеси передачі інформації, тобто уведення-виведення.

Про важливість системи введення-висновку говорить також і те, що в даний час вартість і продуктивність комп'ютерів різного цінового класу від персональних комп'ютерів до суперкомп'ютерів (суперсерверів) визначається в основному організацією систем пам'яті і введення-висновку (а також кількістю процесорів).

Продуктивність процесорів росте із швидкістю 50-100% в рік. Якщо одночасно не поліпшувалися б характеристики систем ввода/вивода, то очевидно розробка нових систем зайшла б в безвихідь.

Функції комп'ютера, описані вище, реалізуються за допомогою пристроїв, які створюються на базі різних по своєму конструктивному виконанню, стандартних виробів, які будемо для спільності розгляду називати модулями, що серійно випускаються. Таким чином, модуль - це функціонально повний і конструктивно закінчений пристрій.

Прикладами таких модулів можуть бути наступні. Інтегральні мікросхеми (мікропроцесори, мікросхеми управління, адаптери, мікросхема пам'яті і т.п.). Що зовнішні запам'ятовують пристрої (ВЗП), що випускаються у вигляді модулів жорстких і гнучких магнітних дисків, оптичних і магнітооптичних дисководів. Модулі периферійних пристроїв (див. рис 1.1б): монітори, клавіатури, що друкують пристрої, сканери і т.п. Як окремі модулі використовується платня розширення, на яких розташовуються спеціальні мікросхеми і роз'єми для сполучення з іншими модулями комп'ютера.

Основою комп'ютера є платня, на якій розташовані МП, пам'ять, основна частина пристроїв системи введення-висновку, таку платню називають системною або материнською платою.

При виготовленні комп'ютера модулі з'єднуються між собою за допомогою стандартних конструктивних засобів. Слід підкреслити, що модулі за швидкістю роботи дуже різнорідні, час виконання ними операцій лежить в дуже широких межах - від доль секунди до наносекунд, тобто міняється на 8 порядків. Якщо цю швидкість вимірювати часом обробки одного слова, тобто часом його перетворення, часом доступу до пам'яті, часом його передачі, часом введення або висновку, то одержимо наступні цифри: мікропроцесор - від 1 нсек до декількох наносекунд, ОЗУ - від декількох до десятків наносекунд, ВЗП - від сотень наносекунд до сотень мікросекунд, Пристрої введення-висновку - від сотень мікросекунд до доль секунд.

В процесі роботи комп'ютера йде постійна передача інформації між модулями. І час передачі інформації від модуля до модуля істотно впливає на продуктивність роботи комп'ютера, а іноді визначає її.

Величезна різниця в швидкостях роботи взаємозяднаних модулів створює серйозні труднощі для систем введення-висновку і вимагає вироблення певних оптимальних рішень, що забезпечують мінімізацію простоїв центрального процесора і повного завантаження роботою інших пристроїв при функціонуванні обчислювальної системи.

Конструктивно комп'ютер, як правило, представляє з себе системний блок, виконаний у вигляді окремого корпусу, де розташовується системна платня, і декількох периферійних пристроїв, підключених до системного блоку за допомогою спеціальних кабелів і шнурів.

Компоновка комп'ютера, тобто з'єднання всіх модулів між собою, проводиться з урахуванням виконання трьох головних вимог:

1. Забезпечення максимальної продуктивності роботи комп'ютера в цілому при малій вартості з урахуванням часу передачі інформації.

2. Конструктивної простоти і мінімальної вартості засобів взаїмосоєдіненій модулів.

3. Можливості підключення максимального числа ЦП і простота зміни конфігурації ЦП в період експлуатації комп'ютера.

Розглянемо, як реалізується взаємозв'язок модулів, з урахуванням вище перелічених вимог. Є три основні способи з'єднання модулів між собою (див. мал. 1.2): “кожен з кожним, радіальний і магістральний.


А) Кажен з кожним Б) Радіальний В)Магістральний


Модуль 1 Головний модуль Загильна магістраль


1

1

2














2

3

1

2

3

3









Інтерфейс Радіальний інтерфейс Магістральний


Інтерфейс


Мал. 1.2. Способи з'єднання модулів


При з'єднанні типу “кожен з кожним ” взаємозв'язок модулів ні чим не обмежена через величезну кількість ліній зв'язку, тому легко виконуються вимоги високої продуктивності, але решта вимог реалізувати не можна із-за складності взаємних з'єднань. Тому цей спосіб на рівні модулів не використовується.

Радіальний - при цьому способі є головний модуль, з яким пов'язані всі інші і вони можуть взаємодіяти між собою тільки через головний модуль, що також знижує продуктивність, але менше ніж при магістральному способі. Такий спосіб з'єднання ефективний для з'єднання модулів, які в основному працюють тільки з головним. Гідність - простота каналів зв'язку кожного модуля, що дозволяє збільшувати їх довжину багато більше, ніж у магістральних. Радіальний спосіб дозволяє до одного роз'єму підключати всього одне ЦП або, при відповідній організації каналу, декілька ЦП. Цей спосіб також знайшов широке застосування в комп'ютерах.

Магістральний - це спосіб, коли всі модулі взаємодіють через загальну магістраль. Він є найбільш простим по реалізації, але знижує продуктивність, оскільки всі модулі ділять магістраль між собою. До недоліком цього способу можна віднести також і те, що високошвидкісні магістралі все ж таки дороги і можуть бути реалізовані тільки при їх обмеженій довжині. При певній організації взаємозв'язку, магістральний спосіб дозволяє до одного роз'єму під'єднати декілька ЦП. Цей спосіб найширше використовується в комп'ютерах.

Взаємозєднання модулів в комп'ютері, за допомогою розглянутих вище способів, можливо тільки при певній уніфікації цих з'єднань. Засоби і правила, що забезпечують взаємозв'язок модулів між собою, називаються інтерфейсом. Головна вимога до інтерфейсів - їх стандартизація. Тільки використання стандартних інтерфейсів може забезпечити масовий випуск комп'ютерів і їх ефективне виробництво і експлуатацію. Саме інтерфейси визначають ті правила, по яких будуються канали передачі інформації між модулями обчислювальної системи. Фізично інтерфейс реалізується у вигляді електричних ліній для передачі сигналів і набору мікросхем, що забезпечують виконання основних функцій інтерфейсу.

У інтерфейсі стандартизуються наступні параметри:

1. Структура інтерфейсу, тобто кількість і призначення ліній інтерфейсу.

2. Параметри електричних сигналів в лініях.

3. Протоколи обміну інформацією в інтерфейсах, цикли (команди) інтерфейсу, що реалізовуються у вигляді тимчасових діаграм сигналів, залежних від архітектури і структури інтерфейсу.

4. Конструктивні параметри інтерфейсу.

Таким чином, стандартний інтерфейс - це сукупність уніфікованих апаратних, програмних і конструктивних засобів і правил, необхідних для реалізації взаємодії різних функціональних елементів в автоматичних системах збору і обробки інформації.

У допомозі в основному розглядаються структура і протоколи роботи інтерфейсів.


1.2. Основні принципи організації передачі

інформації в обчислювальних системах

В процесі роботи комп'ютера передача інформації поодинці і тому ж інтерфейсу в один і той же момент часу йде тільки між двома пристроями (модулями) за принципом “крапка-крапка”. При цьому один з пристроїв є активним (ведучим, задатчиком), інше - пасивним (виконавцем, відомим). Активний пристрій починає процедуру обміну і управляє нею. Пасивний пристрій виконує розпорядження активного. У комп'ютері одні пристрої завжди є за датчиками (активними), інші тільки виконавцями (пасивними), треті в різні моменти часу можуть бути як задатчиками, так і виконавцями. Процесор завжди активний пристрій, оперативна пам'ять (ОЗУ) - пасивний пристрій. Периферійні пристрої при роботі з процесором є виконавцями, а при роботі з ОЗУ (прямий доступ до пам'яті) - задатчиками. Можлива передача між двома ПУ, тоді одне - задатчик, інше - виконавець (див. рис.1.3а).


^ Задатчик Виконувач

ведучий ведомий

(Master) (Target)


Активний

Пристрій

Пасивний

пристрій


а)

Дані


Процесор (Пр.) Оперативна

пам”ять (ОЗП)

Периферыйний Периферійний

пристрій притрій (ПП)


Команда Програма (драйвер)


Пристрій

управліния

Пристрій

управліния




б) в)


Процесор

Оперативний запом’ятовуючий пристрій


устройство

Центральний

процесор

Периферійний пристрій




^ Данні Данні


Рис.1.3. Управління обміном інформації

Таким чином, пасивними пристроями є або ОЗУ, або ЦП. З боку процесора засобу управління цими двома типами пристроїв істотно різні. Це обумовлено тим, що для передач ПРОЦЕСОР-ОЗУ наперед відомі всі типи і параметри пристроїв, які повинні з'єднуватися між собою, оскільки ці пристрої однотипні, тоді як ЦП істотно розрізняються, як по затримці, так і по пропускній спроможності. Крім того, процес управління ЦП набагато складніше і вимагає більшого часу і урахування специфіки роботи.

Тому управління передачею ПРОЦЕСОР-ОЗУ реалізується в рамках однієї комп'ютерної команди на рівні мікрокоманд (див. мал. 1.3б), а управління процесом введення-висновку з урахуванням специфіки ЦП за допомогою спеціальної підпрограми, яка називається драйвером і містить як команди комп'ютера, так і команди управління, специфічні для кожного типа ЦП (див. рис.1.3в). Тому інтерфейс, що зв'язує пристрої при передачі даних повинен враховувати ці особливості.

Передача інформації від задатчика до виконавця реалізується операцією запису, а зворотна - операцією читання. Процес передачі між ЦП і ЦП називають введенням-висновком інформації.

Введення реалізується за допомогою операції читання, а висновок - операцією запису.

Якщо на процесор покласти функції управління введенням-висновком, то у нього не вистачить часу для виконання своєї головної функції - перетворення інформації. Це обумовлено широким діапазоном швидкостей роботи ЦП, складністю їх управління і великою різноманітністю і кількістю різних ЦП (див. рис.1.1б).

Для мінімізації завантаження процесора при виконанні процесів введення-висновку функції управління розподіляються на декілька пристроїв: процесор, головний контролер (канал) введення-висновку, контролер ЦП і блок управління ЦП.

Головний контролер і контролери різного типа ЦП разом з відповідним програмним забезпеченням утворюють Систему введення-висновку.

Процесор, головний контролер, контролери ЦП знаходяться в системному блоці, а блок управління ЦП - в самому периферійному пристрої, у ряді випадків контролер ЦП може знаходитися в самому ЦП. Такий розподіл дозволяє оптимізувати завантаження кожного виду пристроїв властивими йому функціями при мультипрограмному режимі роботи комп'ютера. Це відбувається за рахунок поєднання в часі роботи різних по функціях пристроїв. Функціональна схема передачі інформації в комп'ютері показана на рис.1.4.


Системна Інтерфейс

шина периферійних

пристроїв

Система

Вводу-виводу


Центральний Голавний Контроллер Периферійні

Процесор контролер інтерфейсу

(канал) вводуиводу пристрої


Процесор
вводу-виводу (ПУ)


Схема

управління

Схема

управління

Схема

управління
2 3 8







4


Оперативний

Запом”ятовуючий Пристрій


Вектор

переривання


Драйвер

Данні


Регістр

стану

Регістр

стану

Регістр

стану
1 8




5



Регістр

управліния

Регистр

управліния

Регистр

управліния
6 7 9 9




6



Регістр

даних

Регістр

даних

Регістр

даних
10 10 10 10







I II III IV


Системний блок


1. Стан головного контроллера 7. Команда головного контроллера
2. Команда введення-висновку 8. Стан периферійних пристроїв
3. Адреса контроллера введення-висновку 9. Наказ периферійному пристрою
4. Стан контроллера на виконання операції
введення-висновку введення- виводу
5. Адреса вектора переривання 10. Виконання операції
6. Команда драйвера введення-виводу

Мал. 1.4. Функціональна схема організації передачі інформації вкомп'ютері


Операцию введення-висновку починає процессор, видаючи в головний контроллер введення-висновку відповідну команду (2). Заздалегідь, за допомогою слова стану каналу, процессор повинен переконатися, що він готовий до роботи (1).

Канал приступає до управління введенням-висновком за допомогою спеціальної програми каналу. Після чого процесор відключається від процесу введення-висновку і функції управління приймає на себе канал.

Канал, після аналізу слова стану (4) відповідного контроллера про його готовність, передає йому наказ (команду каналу) (6,7), що управляє, і може переходити до роботи з контроллером іншого ПУ. Контроллер ПУ приймає естафету управління введенням-висновком, формує і передає в блок управління ПУ необхідний код (сигнал) (8,9), що управляє, одержавши який ПУ переступає до процесу передачі даних (10).

Як випливає з розгляду (див. рис.1.4), кожен рівень управління введенням-висновком повинен мати регістри управління, стану і даних для реалізації своїх дій по передачі інформації.

При реалізації такої багаторівневої системи управління введенням-висновком для зв'язку пристроїв між собою використовується два види інтерфейсів: системні інтерфейси (внутрішні) для взаємозв'язку модулів в системному блоці і зовнішні інтерфейси ЦП (інтерфейс периферійних пристроїв) для під'єднування ЦП до системного блоку (див. рис.1.4)

Для обліку особливостей реалізації процесів введення-висновку і специфіки різного типа ЦП використовуються три режими введення-висновку інформації: програмне уведення-виведення, уведення-виведення в режимі переривань і з прямим доступом до пам'яті.

Інтерфейси повинні враховувати можливість реалізації всіх 3-х режимів введення-висновку.

Програмне уведення-виведення. Тут ініціалізація і управління процесом введення-висновку здійснює процесор. Є три способи його виконання (див. рис.1.5).


а) Прямий-для б) Умовний із в) Умовний із


ВВ

ВВ
синхронних ПП заняттям циклу заміщенням

Ні Ні


Так Так

ВВ


Рис.1.5. Програмне уведення-виведення

Перший спосіб - прямою, використовується для синхронних ЦП, тобто пристроїв, які завжди готові до роботи і циклів очікування не вимагається. Другий - умовний із заняттям циклу, коли при не готовності ЦП, процесор чекає до тих пір, поки наступить його готовність. Третій - умовний з поєднанням. На відміну від попереднього, процесор не чекає готовності ЦП, а переходить до продовження програми з періодичною перевіркою готовності ЦП.

Уведення-виведення в режимі переривань. В цьому випадку ініціатором почала процесу введення-висновку є ЦП. Воно, коли готово, подає сигнал процесору "запит на переривання". Процесор, якщо ЦП дозволений такий режим, завершує поточну команду і переходить до виконання процесу введення-висновку (див. мал. 1.6). Спочатку він здійснює контекстне перемикання, тобто запам'ятовує свій стан, щоб можна було після продовжити програму, ідентифікує ЦП і передає управління драйверу даного ЦП (ПП), який і здійснює введення або виведення інформації. Ідентифікація ЦП проводиться за допомогою адреси вектора переривання, який містить номер осередку, де зберігається перша команда цього драйвера. Адреса вектора переривання ЦП передається процесору від контроллера переривань (див. рис.1.4, сигнал 5).


.



Вибір

команди

Дешифрування і виконання

команди

Інкрементування

лічильника команд

Завершення поточної

команди

Контекстне

перемикання

Ідентифікація ЦП

з максимальним

пріоритетом

ПП1

ПП n

Контекстне

перемикання



Ні

Так


Ні


Так


Рис.1.6. Ввід-вивід у режимі переривання

Слід зазначити два моменти. По-перше, ЦП повинне мати, попередньо встановлений дозвіл на роботу в режимі переривань. По-друге, можливі колізії, коли декілька ЦП виставляють процесору запит переривання. Ця колізія дозволяється за допомогою механізму завдання рівня пріоритетів для кожного ЦП. Можлива організація вкладених переривань, коли ЦП з більшим пріоритетом перериває роботу ЦП з меншим пріоритетом. Всі ці моменти повинен ураховувати стандарт на інтерфейс.

Прямий доступ до пам'яті (див. рис. 1.7). Цей режим використовується для високошвидкісних ЦП, що мають швидкість передачі більше 50 Кбіт/сек. У цьому режимі активним пристроєм є контролер прямого достуЦП до пам'яті (КПДП). Процесор, одержавши від КПДП заявку на прямий доступ, перериває свою роботу й відключається від інтерфейсу, передаючи його задавачу, тобто КПДП. Процесор при цьому не виконує контекстного перемикання, а може продовжувати свою роботу, якщо вона не вимагає інтерфейсу. Керування інтерфейсом переходить до КПДП, що за допомогою виконання операцій читання й запису передає інформацію між ОЗУ й ЦП з відповідним завданням адрес пам'яті. У цьому режимі використається механізм завдання рівня пріоритетів для тих ЦП, які працюють із прямим доступом до пам'яті. Цей режим також повинен бути передбачений в інтерфейсах.

Слідуючи з вищевикладеного, канал вводу-виводу (головний контролер) реалізує функції керування загальні для всіх ЦП, а контролер зовнішнього інтерфейсу враховує специфіку інтерфейсу, що зв'язує його з відповідної ЦП.

У комп'ютерах, які працюють із малою інтенсивністю вводу-виводу, головний контролер (канал) вводу-виводу звичайно відсутній, а його функції бере на себе мікропроцесор. У цьому випадку процесор працює безпосередньо з контролером вводу-виводу ЦП, що спрощує структуру комп'ютера.

При роботі з високошвидкісним ЦП звичайно використається режим прямого досту ЦП до пам'яті. Для цього режиму апаратно реалізується спеціальний канал вводу-виводу у вигляді КПДП.

Запит від ЦП

до КПДП

Формування

адреси

Модифікація

адреси



Ні

Так


Ні

Так

продовження
програми

Передавання даних

Рис. 1.7. Режим прямого доступу до пам'яті


Викладений у даному розділі матеріал, дає можливість зрозуміти, чому інтерфейси мають таку структуру, функції й протоколи роботи.


^ 1.3. КОМП'ЮТЕРНІ КОМУНІКАЦІЇ Й ІНТЕРФЕЙСИ


Інтерфейси, використовувані при побудові обчислювальних систем, досить різноманітні й розрізняються між собою за певними критеріями й характеризуються рядом властивостей і параметрів. В області інтерфейсів існує своя термінологія, що задається тими або іншими визначеннями й поняттями, які з розвитком комп'ютерної техніки постійно трансформуються, що викликає необхідність розглядати їх у певній ретроспективі.

Коротко зупинимося на деяких поняттях і визначеннях.

Канал – середовище передачі інформації, що представляє у вигляді певних сигналів. Канал реалізується за допомогою тих або інших засобів, що залежать від фізичної природи сигналів (струм, напруга, радіосигнал, оптичний сигнал і т.п.). Комп'ютерний інтерфейс є каналом передачі інформації за допомогою електричних сигналів (імпульсів і потенціалів).

^ Лінія інтерфейсу – це електричний провідник (проведення, лінія друкованого монтажу, контакт рознімання плати), по якому поширюється електричний сигнал.

Магістраль – це сукупність всіх ліній інтерфейсу.

Шина – група ліній інтерфейсу, що відповідає певному функціональному призначенню (шина даних, шина адреси й т.п.)

Надалі термін “магістраль” стали заміняти терміном “шина”. У свою чергу поняття “шина” стало в певній мері синонімом терміна “інтерфейс”, хоча поняття шини більше вузьке, чим загальне поняття інтерфейсу.

У комп'ютерах, із причин, викладеним вище, система вводу-виводу будується на основі магістральних і радіальних способів з'єднання модулів (пристроїв), оформлених у вигляді стандартних інтерфейсів, названих відповідно магістральними й радіальними.

По способі передачі інформації інтерфейси діляться на паралельні й послідовні. Розряди даних можуть передаватися в інтерфейсах одночасно, тобто паралельно. Такі інтерфейси називаються паралельними, і вони мають шину даних зі скількох ліній, скільки розрядів передається одночасно. При передачі даних по одній лінії послідовно розряд за розрядом, інтерфейс називають послідовним.

Здається очевидним, що при одній і тій же швидкості роботи ліній інтерфейсу, пропускна здатність паралельного інтерфейсу вище, ніж у послідовного. Однак підвищення продуктивності за рахунок збільшення тактової частоти передачі й кількості ліній даних упирається у хвильові властивості сполучних кабелів. Затримка сигналів у різних лініях не однакова, і це особливо позначається при збільшенні довжини ліній, що вимагає для надійної передачі даних додаткових тимчасових й апаратних витрат, стримуючи цим ріст пропускної здатності паралельного інтерфейсу. Крім того, у паралельних інтерфейсах зі збільшенням числа паралельних ліній й їхньої довжини сутужніше реалізувати компенсацію перешкод, що наводять за рахунок електричної взаємодії ліній між собою.

У послідовних інтерфейсах є свої проблеми підвищення продуктивності, але тому що в них використається менше число ліній, підвищення пропускної здатності каналу зв'язку обходиться дешевше.

Тому важливим параметром інтерфейсів є припустиме видалення пристроїв, що з'єднують. Воно визначається як частотними властивостями, так і перешкодозахищеністю використовуваних каналів зв'язку.

Для інтерфейсу, що з'єднує два пристрої (модуля), розрізняються три можливих режими обміну: дуплексний, напівдуплексний і симплексний.

Дуплексний режим дозволяє по одному каналі зв'язку, але маючи дві групи ліній “туди” й “назад, одночасно передавати інформацію в обох напрямках. Він може бути асиметричним, якщо пропускна здатність у напрямку “туди” й “назад” має істотно розрізняється значення, або симетричним. Напівдуплексний режим дозволяє передавати інформацію з тим самим ліній “туди” й “назад” по черзі в різні моменти часу, при цьому інтерфейс має засобу перемикання напрямків каналу. Симплексний (однобічний) режим передбачає тільки один напрямок передачі інформації (у зустрічному напрямку можуть передаватися тільки допоміжні сигнали інтерфейсу).

Всі модулі усередині системного блоку, а це електронні модулі (мікропроцесор, оперативна пам'ять, контролери вводу-виводу й т.д.), з'єднуються між собою за допомогою так називаного внутрішнього інтерфейсу, що є паралельним і побудованого по магістральному способі. Внутрішні інтерфейси призначені для швидкого зв'язку на короткі відстані. Причому важливо не тільки високу пропускну здатність, але й малий час доступу активного пристрою до виконавця.

ЦП з'єднуються із системним блоком по радіальних або магістральних інтерфейсах, послідовним і паралельним, називаним зовнішніми. Рознімання системного блоку, призначений для приєднання до нього зовнішнього інтерфейсу й відповідні йому електронні схеми, називають портом вводу-виводу.

Тому що через внутрішній інтерфейс з'єднуються в систему всі модулі комп'ютера, цей інтерфейс стали називати системним інтерфейсом (системною шиною). Хоча надалі це поняття трохи змінилося, про що мова йтиме нижче. Зовнішні інтерфейси стали називати малими інтерфейсами або інтерфейсами периферійних пристроїв (див. мал. 1.4).

Важливою відмітною властивістю інтерфейсів є топологія з'єднання модулів (пристроїв) із шиною інтерфейсу.

Шини внутрішніх інтерфейсів, будучи паралельними і магістральними, розміщуються на системній (материнської) платі, а взаємоз’єднувальні модулі є електронними, виготовленими у вигляді мікросхем або плат розширення (процесор, ОЗУ, ROMBIOS і т.п.), тому кожен модуль має своє власне з'єднання із шиною. Це з'єднання реалізується різними способами: друкованим монтажем, за допомогою слотів, сокетів і рознімань. Причому припустиме видалення модулів друг від друга мало й визначається розмірами материнської плати.

Слот (^ Slot) являє собою щілинне рознімання, у який уставляється яка-небудь друкована плата. Слот розширення (Expansion Slot) - це рознімання системної шини, куди уставляється плата або карта розширення (Expansion Card).

Платою (картою) розширення називають друковану плату із крайовим розніманням, установлювану в слот розширення, плати, що забезпечують додатковий інтерфейс, називають інтерфейсними картами (Interface Card)

Сокет (Socket) гніздо, у яке встановлюється мікросхема.

Зовнішні інтерфейси ЦП мають більше різноманітну топологію. Для радіальних інтерфейсів - це двох точкова топологія: порт системного блоку - рознімання ЦП (шини RS-232,Centronics) або топологія типу дерева (шини USB). Двох точкова топологія дозволяє до порту підключати тільки одне ЦП. При деревоподібній топології основою (коренем) дерева є порт вводу-виводу комп'ютера, а ЦП можуть бути або кінцевим пристроєм, або новим центром розгалуження. Ця топологія дозволяє підключати безліч пристроїв до одного порту комп'ютера.

Для магістральних інтерфейсів використається шлейфова топологія (шини SCSI). При шлейфовій топології шина підключається до одного порту комп'ютера, а від нього послідовно проходить по всім ЦП. У ЦП одне рознімання підключається до попереднього ЦП (першого - до порту вводу-виводу), а інше рознімання шини використається для підключення наступного ЦП, якщо його ні, те до цього рознімання підключається термінатор (погоджуюча схема). У цьому випадку, як правило, контролер зовнішнього інтерфейсу розміщається в самому ЦП, а шиною SCSI управляє головний контролер (адаптер), що фактично є каналом вводу-виводу (див. мал. 1.4).

^ 1.4. СИСТЕМНІ ІНТЕРФЕЙСИ Й ШИНИ РОЗШИРЕННЯ


Основою високої продуктивності обчислювальної машини будь-якого типу є центральний процесор (ЦП), що складається з мікропроцесора (МП) і оперативної пам'яті, зв'язаних шиною передачі інформації. Із цих трьох складових визначальної є МП, тому що він перетворить інформацію й управляє передачею даних. Процесор – активний пристрій, а ОЗУ й шина – пасивні. Якщо позначити швидкість роботи МП – UМП, ОЗУ – UОЗУ, а шини – UШ, то найкращим (оптимальним) співвідношенням швидкостей буде UМП ≤UОЗУ ≤UШ. Пропускна здатність шини залежить від її розрядності, частоти роботи й числа синхроімпульсів на передачу одного слова.

Тому внутрішні шини ділять на шини, що забезпечують зв'язок процесора з пам'яттю й шини вводу-виводу. Шини процесор-пам'ять порівняно короткі, звичайно високошвидкісні й відповідають організації системи пам'яті для забезпечення максимальної пропускної здатності каналу пам'ять-процесор. Такі шини стали називати системними шинами, а колишніми системні - шинами вводу-виводу. Шини вводу-виводу довші й можуть підтримувати приєднання багатьох типів пристроїв і звичайно випливають одному зі стандартів. Шини вводу-виводу стали називати шинами розширення, маючи на увазі те, що ця шина як би розширює системну шину з погляду кількості пристроїв, що підключають. ЦП приєднують до шини вводу-виводу за допомогою інтерфейсів ЦП, які, як правило, стандартизовані.

Шинам процесор-пам'ять заздалегідь відомі всі типи й параметри пристроїв, які повинні з'єднуватися між собою, шина вводу-виводу має справу із пристроями, що розрізняються по затримці й пропускній здатності.

Розглянемо, як змінювалася пропускна здатність системної шини (Мп-пам'ять) залежно від швидкостей роботи МП і пам'яті.

У таблиці 1 наведені деякі характеристики мікропроцесорів фірми Intel, розташованих по роках, починаючи з 1978р., року появи ПК.


ТАБЛИЦЯ 1


Тип

МП

Частота

Мгц

Шина

даних

разр.

Шина адреси

разр.

Рік

виЦПску

разр.

Внутр. КЭШ

Кбайт

i8080,i8088

i8086

4,77;8;10

8,16

20

1978



i80286

6 -25

16

24

1982



i80386

16,20,25,33,40

16,32

24,32

1985



i486

16 - 66

32

32

1989

8,16

i486Dx2(4)

40-120

32

32

1992

16

^ Pentium

(Pro,MMX)

60 – 200

64

32

1993

2x8

2x16

Pentium II

233,266,300

64

32

1997

2x16

^ Pentium III

299,322

128

32

1999





У таблиці 2 дані характеристики пам'яті (час доступу) і системної шини процесор-пам'ять (частота шини даних, максимальна й реальна пропускна здатність). Під пропускною здатністю розуміють швидкість передачі по шині, вимірюваної кількістю байт у секунду. Як видно з таблиці 1, тактова частота МП із 1980р. зросла в 60 разів. За теж час частота, на якій працює системна пам'ять зі сторінковою організацією (FPM), зросла в 5 разів. Застосування EDORAM й SDRAM збільшило продуктивність пам'яті всього в 10 разів. Таким чином, між продуктивністю МП і пам'яті утворився розрив.


ТАБЛИЦЯ 2



^ Тип

пам'яті

Частота

шини

даних

Мгц

Разряд-ність

шини

даних

Максимальна

проЦПскна

здатність

Мбайт/з

Обсяг

Час достуЦП

нс

Реальна проЦПскна

здатність

Мбайт/с

SRAM

Кеш-пам'ять

1-го рівня


75-166


32


300-667


16 Кбайт


5-10


300-667

^ SRAM

Кеш-пам'ять

2-го рівня


50/60/66


64



400/480/582

250кбайт -

1Мбайт


15


200/528

FPM DRAM

EDO DRAM


50/60/66


64


400/480/582


8-256 Мбайт


40-70


100-264

SDRAM

100/200

64

582/800




6-8

528/800

RDRAM

100/200

64

800/1600

32-1000 Мбайт

2,5

800/1600


Із цієї таблиці також видно, що частота роботи системної шини, що з'єднує МП і пам'ять, зросла в 8 разів і досягла 66 Мгц. У перспективі планується збільшити цю частоту до 100, 133, 200 Мгц.

Але разом з тим ці цифри показують, що є постійний розрив між частотою роботи МП і частотою системної шини, кратність співвідношення цих частот, починаючи із МП i486 становить 1,5; 2; 2,5; 3.

Для підвищення пропускної здатності системної шини збільшують її ширину, тобто число одночасно переданих байт. За весь період число розрядів шини даних збільшився з 8 до 64. Всі ці міри довели пропускну здатність системної шини до 528 Мбайт/сек, у перспективі воно зросте до 800, 1600 і більше Мбайт/сек. Це збільшення зв'язане також з появою нових технологій пам'яті заснованих на синхронних DRAM: SDRAM II (DDR), SLDRAM і принципово новій архітектурі пам'яті RAMBUS (RDRAM, Concurrent, RAMBUS, Direct RAMBUS).

Щоб МП не простоював, використають додаткову високошвидкісну Кеш-пам'ять на основі SRAM, розташовувану як на кристалі МП (Кеш-пам'ять 1-го рівня), так і поза кристалом (Кеш-пам'ять 2-го рівня). В останніх МП типу Pentium II Кеш-пам'ять 2-го рівня розташовується в одному корпусі із МП, що дозволяє збільшувати частоту роботи шини зв'язку цієї пам'яті з ядром МП.

Продуктивність й якість роботи комп'ютера визначається не тільки високою швидкістю центрального процесора і ємністю ОЗУ, але й швидкістю і якістю роботи ЦП. Дуже важливими є такі параметри, як ємність, час доступу, швидкість передачі даних у зовнішніх запам'ятовувальних пристроїв, можливість відображення на екрані монітора тривимірної графіки зі складними її перетвореннями в реальному масштабі часу, показ "живого відео" і т.п. Тому в комп'ютері потрібна організація оптимальної взаємодії Цпр і ЦП, чим і займаються шини вводу-виводу.

Розглянемо їхній розвиток і трансформацію, починаючи з перших комп'ютерів IBM PC. Варто підкреслити, що розвиток шин вводу-виводу йшло таким чином, щоб зберегти наступність із раніше розробленими й випуска апаратними й програмними засобами.

Важливою властивістю інтерфейсів вводу-виводу є підтримка режиму авто конфігурації (Plug and Play). При конфігурації систем, кожному ЦП задається певний рівень переривань і діапазон адрес для регістрів цього пристрою. Цей процес вимагає часу й певної кваліфікації користувача. Введення режиму Plug and Play автоматизує цей процес, істотно полегшуючи конфігурування з підключенням нового ЦП.

У таблиці 3 наведені характеристики шин вводу-виводу (шин розширення), використовуваних у персональних комп'ютерах типу IBM PC й ін. типу, починаючи з початку 80-х років. У таблиці наведена пікова пропускна здатність (теоретично можлива), реальна приблизно в 2 рази нижче за рахунок переривань, регенерації, протокольних процедур. Пропускна здатність залежить від частоти роботи шини, розрядності шини даних і кількості тактів на передачу одного слова. Шина використає всі свої можливості, якщо слово передається за один синхроімпульс шини.


ТАБЛИЦЯ 3


Шина

ПроЦПскна здатність

Мбайт/сек

Автокон-фігурація

Разряд-ність даних

^ Розрядність адреси

Частота МГц

ISA-8

4

-

8

20 (1 Мбайт)

8

ISA-16

8/16

-

16

24 (16Мбайт)

8/16

EISA


33,3

+

32

32 (4Гбайт)

8,33

MCA-16

16

+

16

24 (16Гбайт)

10

MCA-32

20

+

32

32 (4Гбайт)

10

VLB

132

-

32/64

32 (4Гбайт)

33-50(66)

PCI

132/264

+

32/64

32 (4Гбайт)

33(66)

AGP

256/512

+

32

32 (4Гбайт)

66

VME32

30

+

32

32 (4Гбайт)

8

SBUS

80/100




32/64

32 (4Гбайт)

20/25

MBUS

400




64

36

50

XD-BUS

400













Power-path2







256

40(16Гбайт)

50
  1   2   3   4

Реклама:





Скачать файл (86.1 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru