Интерфейсы переферийных устройств
1. Вопрос: Что входит в состав СВВ ПК и что относится к объектам внешнего мира по отношению к СВВ?
Ответ:
Под СВВ следует понимать совокупность аппаратных и программных средств,
обеспечивающих получение данных от источников во внешнем мире и размещение их в ОЗУ, т.е. ввод данных, а также извлечение данных из определенных областей ОЗУ и передачу их потребителям информации во внешнем мире, т.е. вывод данных. При обмене информацией можно выделить процессы преобразования способа ее представления
(речи в текст, текста в графическое изображение и т.п.); кодирования (замены алфавитно-цифровых символов их кодовыми эквивалентами); преобразования формы представления кодированной информации (например, комбинации пробивок на перфокарте в комбинацию высоких и низких электрических потенциалов); передачи сигналов между ОЗУ и средствами СВВ. Функции автономного преобразования форм и способов представления данных и их кодирования выполняются периферийными
устройствами, являющимися компонентами СВВ. Если ПУ содержат значительные собственные аппаратно-программные средства предварительной обработки информации, то они называются интеллектуальными. К числу неинтеллектуальных ПУ можно отнести устройства ввода с перфоленты, содержащие электромеханические узлы и узлы считывания пробивок, клавиатуру с микропроцессорным управлением для кодирования символов; к числу интеллектуальных — синтезаторы речи, системы внешней памяти, графические дисплейные станции, современные модемы принтеры и т.п.
|
|
|
В передаче сообщений и управлении обменом участвуют также и другие компоненты СВВ. К ним можно отнести систему внутренних и внешних аппаратных интерфейсов, контроллеры и адаптеры. Под интерфейсом, в общем случае, понимают совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и (или) программ. К средствам аппаратных интерфейсов относится система линий связи, по которым передаются сигналы, разъемные
соединения и схемы управления, реализуемые, как правило, на базе специализированных вычислительных устройствах - контроллерах; к правилам можно отнести протокол взаимодействия, порядок разводки сигналов по разъемам, параметры сигналов, поддерживаемые методы связи (синхронный или асинхронный), поддерживаемые режимы обмена (дуплексный, полудуплексный, симплексный) и т.п. Под протоколом понимают совокупность правил и соглашений, определяющих работу функциональных устройств (контроллеров, адаптеров, периферийных устройств и т.п.) и процедур в процессе связи
(взаимодействия). Под адаптером понимают устройство сопряжения между собой устройств с различными способами представления данных либо устройств, использующих различные виды унифицированных сопряжений (интерфейсов). Адаптеры, как правило, выполняются на базе универсальных или специализированных контроллеров и поддерживают соответствующие интерфейсы на своих входах и выходах. Преобразование способов представления и кодирование данных могут выполняться в ПУ либо полностью автоматически, либо с участием человека-оператора. Во втором случае на оператора
|
|
|
возлагают наиболее трудно поддающиеся автоматизации функции по преобразованию способов представления информации. В недалеком прошлом с помощью автономно работающих устройств, входящих в систему подготовки данных (СПД), оператор кодировал информацию и переносил ее на промежуточный носитель (перфоленту, перфокарту, магнитную ленту, гибкий магнитный диск и т.п.). На промежуточном носителе информация представлялась в закодированной форме, но способ представления, например, зоны противоположной намагниченности на поверхности гибкого магнитного
диска, не позволял непосредственно использовать ее для обработки в ЭВМ, т.е. требовался еще одно преобразование. Это преобразование осуществлялось ПУ СВВ непосредственно в процессе выполнения операции ввода. Наличие промежуточного носителя позволяло осуществлять повторный ввод, а также обмен данными между различными ЭВМ на уровне этого носителя. Для этого носители стандартизировали. Стандартизировались геометрические размеры, расположение и размеры кодирующих элементов, допуски на них и коды. С появлением персональных ЭВМ и развитием сетевых технологий как таковые устройства подготовки данных на промежуточных носителях исчезли, но сами промежуточные носители, такие как гибкие магнитные диски, магнитные ленты, и новые их разновидности - оптические диски, флеш-накопители и т. п. широко используются в системах внешней памяти, для обмена информацией между машинами и для поставки программного обеспечения.
|
|
|
2. Вопрос: Какие каналы ввода/вывода организуются в СВВ ПК, что и как они обеспечивают
Ответ:
Канал ввода-вывода (КВВ) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации, управления обменом и непосредственной передачи данных между ОП и ПУ. Таким образом, КВВ является функциональным элементомСВВ. Он образует маршрут передачи данных между ОП и ПУ (включая логический каналввода-вывода между ОП и портом ввода-вывода через который ведется обмен с ПУ) иосуществляет управление обменом, начиная от установления связи и кончая завершениемпередачи и разрушением установленной связи. Физическая реализация КВВ отличаетсяшироким разнообразием, однако, независимо от нее функции подключения ПУ к КВВвыполняются специальными аппаратными средствами (средствами интерфейсов) в соответствии с определенными правилами обмена сигналами.
|
|
|
Основные функции КВВ можно разбить на три группы:
В первую группу входят функции по установлению логической связи между ПУ и ОП, т.е. по образованию «логического канала» для передачи данных.
Вторая группа функций КВВ связана с непосредственной передачей данных между ПУ и ОП по установленному логическому каналу.
Третья группа функций связана с завершением обмена и разрушением «логического канала».
Перечисленные функции КВВ реализуются различными сочетаниями аппаратных и
программных средств. Программные каналы ввода-вывода. Если все функции управления обменом осуществляются средствами управления интерфейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называют программным. С помощью программного КВВ обеспечивается несовмещенный режим ввода-вывода, при котором управление ПУ и операциями обработки осуществляется последовательно, и совмещенный режим, при котором ПУ имеет автономные схемы управления подготовкой квантов информации, а синхронизация и переключение ЦП на программу управления передачей кванта информации от ПУ выполняется посредством прерываний. Несовмещенный режим используется в сравнительно редких случаях, преимущественно для простейших управляющих микро-ЭВМ, если число ПУ невелико (обычно 1-2) и эти устройства пассивны, т.е. не могут посылать запросы на обмен. Повышение степени совмещения операций обработки и ввода-вывода связано с организацией прямого доступа к памяти и использованием блочных команд обмена.
Каналы прямого доступа к памяти. Для реализации прямого доступа к памяти в КВВ должны быть предусмотрены специально выделенные аппаратные средства, на которые возлагаются буферизация и преобразование форматов данных; определение текущего адреса для каждого передаваемого в память или из нее слова; определение момента завершения обмена. Остальные функции КВВ по установлению связи и образованию «канала» между ПУ и ОП в начале операции, окончанию операции и проверке состояния компонентов СВВ выполняются либо программным путем с привлечением аппаратуры ЦП, либо дополнительными средствами КВВ.
В первом случае, когда управление образованием и «настройкой канала» производится программно, повышение степени совмещения операций обработки и ввода-вывода достигается за счет того, что программная настройка канала производится только в начале и конце операции. Управление же передачей каждого кванта данных по каналу не требует вмешательства со стороны ЦП. Этот способ организации КВВ характерен для мини-, микро-ЭВМ и ПК при подключении внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и других быстродействующих устройств. Во втором случае функции КВВ выполняются специально выделенной аппаратурой, работающей под управлением собственных программных средств. Такие каналы, как правило, реализуются на базе процессора ввода-вывода (ПВВ). ПВВ является подчиненным специализированным процессором, работа которого инициируется посредством ЦП. ПВВ используют в высокопроизводительных ЭВМ (мощных мини-ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-
ЭВМ). Применение блочных команд обмена позволяет одной командой организовать работу ЦП по передаче блока данных между ОП и ПУ. При подготовке к выполнению блочной команды в регистры ЦП заносится информация об адресе порта ввода-вывода, через который будет осуществляться обмен между ПУ и ЦП, о числе циклов обмена, о начальном адресе блока ОП, с которым будет вестись обмен. Сам обмен может осуществляться через регистр-аккумулятор ЦП (РгД), или непосредственно между портом ввода-вывода и ОП. При использовании блочных команд ЦП не может заниматься обработкой, поскольку несколько его регистров заняты обслуживанием обмена.
3. Вопрос: кратко охарактеризуйте систему внешних интерфейсов современных ПК
Ответ:
Структура внутренних и внешних интерфейсов ПЭВМ IBM PC/AT.
Внешний интерфейс (front-end interface) - средства и правила взаимодействия подсистемы с внешними объектами (пользователем, вычислительной сетью) в отличие от ее взаимодействия с остальными компонентами системы. Система малых внешних интерфейсов (интерфейсы И4) в ПЭВМ представлена: последовательными
интерфейсами COM-портов, клавиатуры, гибких дисков, видеомонитора, универсальной
последовательной шины (USB), музыкальных инструментов (MIDI), локальной сети; параллельными интерфейсами LPT-порта и жестких дисков (IDE, SCSI); дискретно-аналоговым интерфейсомигрового порта и другими.
Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:
— видом связи, т.е. возможностью вести дуплексную (сообщения могут одновременно
передаваться в двух направлениях, что требует двух каналов связи), полудуплексную (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно возможна передача только в одном) или симплексную передачу (сообщения могут передаваться только в одном направлении);
— пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени;
— максимально допустимым расстоянием между устройствами или суммарной длиной линий, соединяющих все устройства интерфейса;
— задержками при организации передачи, которые вызваны необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами.
Конкретные значения этих параметров зависят от множества факторов, в частности от
информационной ширины интерфейса, способа синхронизации, среды интерфейса, топологической структуры соединений и организации линии интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса. Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединением устройств и используемыми линиями.
Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельно—последовательной форме; соответственно интерфейсы принято делить на последовательные и параллельные.
В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линий, хотя общее число линий может быть и больше. В этом случае по дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от центрального ядра ЭВМ (интерфейсы ранга И4). В параллельном интерфейсе передача сообщения выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m линиям; величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых m=8, 16 и 32. (Для внутренних интерфейсов ранга И1 и И2 высокопроизводительных ЭВМ ширина интерфейса может быть значительно больше). Разброс параметров среды интерфейса, т.е. его линий и приемо-передающей аппаратуры, вызывает неодинаковые искажения фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям Л1— Лm. Это означает, что одновременно выданные передатчиком ПРД сигналы на линии Л1—Лm воспринимаются приемником ПРМ не одновременно, а в интервале (tl,t2) (см.рис.2.2,а и б). Такое
явление называется перекосом информации. В интервале (tl,t2) приемник может воспринять любую кодовую комбинацию {хi}, i=(l,..m), отличную от комбинации {Ьi}, передаваемой устройством ПРД. Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней, должен поступить в приемник ПРМ в момент tstr, соответствующий завершению установления на входах ПРМ состояния {Ьi}, т.е. в момент, когда выполняется условие tstr > t2. При этом необходимо передать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л1 — Лm.
tstr > 2 max(Δτi,j) = 2 max │ti, - tj│,
где ti, tj— самый ранний и самый поздний моменты поступления сигналов в приемник ПРМ по линиям i и j, соответственно при одновременной их выдаче передатчиком; Δτi,j — возможный разброс моментов поступления сигналов по линиям Л1— Лm, а Δτ str — по линии строба.
К аппаратным внешним ИВВ относятся:
- Интерфейс подключения модема к абонентской линии коммутируемой телефонной сети
(И. С).
- Интерфейс подключения к коммуникационной среде локальной сети (И. ЛС).
Следует отметить, что такие ПУ, как видеомонитор, принтер, клавиатура, манипуляторы
мышь и джойстик имеют средства, относящиеся к внешним ИВВ, обеспечивающим взаимодействие ПК с пользователем, а приводы (дисководы) НМД, НГМД и CD-ROM имеют средства реализации внешнего интерфейса взаимодействия ПК с соответствующими носителями информации (носителями внешней памяти).
С появлением первого процессора с 32-разрядной архитектурой для его поддержки был
разработан 32-разрядный ИВВ хоста стандарта EISA (Enhanced Industry Standard Architecture
- расширенная архитектура промышленного стандарта ISA). Однако этот интерфейс не
получил широкого распространения поскольку его пропускная способность ограничивалась 33 Мбайтами в секунду.
4. вопрос: Охарактеризуйте основные компоненты подсистемы ввода/вывода аналоговой информации.
Ответ: Часто микро-ЭВМ и ПК используется в таких областях, где система связи с объектами управления являются основным, а подчас и единственными средствами общения ЭВМ с внешним миром. В состав этих систем, как правило, обязательно входит подсистема ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов. Устройства этой подсистемы могут входить в состав периферийного оборудования ЭВМ, или могут находиться в составе программируемых устройств объектов управления. При взаимодействии компьютера с программируемыми устройствами объектов управления (например, с программируемыми электронными приборами, используемыми в системах автоматизации научных исследований: регистраторами, генераторами, частотомерами, ЦАП, АЦП и т. п.) могут использоваться стандартные малые и периферийные ИВВ, специализированные внешние ИВВ или стандартные универсальные внешние интерфейсы. К последним можно, например, отнести интерфейс GPIB
(General Purpose Interface Bus) - интерфейсная шина общего назначения, известная у нас как КОП (Канал Общего Пользования), интерфейсы системы КАМАК (CAMAC) и ряд других. Эта СВВ позволяет получать информацию об аналоговых процессах и параметрах, характеризуемых непрерывным изменением величины, например, температуры, давления, механического перемещения, напряжения и т.п. Информация о таких параметрах представляется в виде аналоговых сообщений. Для восприятия сообщения цифровой машиной аналоговое сообщение преобразуется в цифровую форму; такое преобразование выполняется посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровое сообщение от ЭВМ, служащее для управления аналоговым объектом, преобразуется в аналоговую форму; это преобразование осуществляется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Для обеспечения правильности функционирования объектов управления или хода технологических процессов необходимо, чтобы характеристики СВВ и ее компонентов соответствовали характеру изменения параметров процесса, т.е. необходимо выбирать СВВ и ее компоненты в соответствии с характеристиками управляемых процессов. Ограничимся рассмотрением СВВ, в которых в качестве ЦАП и АЦП используются преобразователи цифровых кодов в напряжение постоянного тока (ПКН) и напряжения в цифровые коды (ПНК). Помимо ПНК и ПКН в состав этих СВВ входят мультиплексоры и демультиплексоры аналоговых сигналов, схемы сохранения уровней напряжения (аналоговые запоминающие элементы), ключи и т.п.
Помимо ЦАП и АЦП широко распространены непосредственные преобразователи механических перемещений в цифровые коды и обратно; такие преобразователи широко используются в качестве узлов систем управления, в частности в электромеханических ПУ. К основным характеристикам АЦП и ЦАП принято относить диапазон изменения входной (или выходной) величины, разрешающую способность, инструментальную погрешность и быстродействие. Диапазон изменения входной величины определяет допустимые уровни преобразуемого сигнала; для ПНК этот диапазон задается в виде максимального Umax и минимального Umin напряжений на входе преобразователя. Наиболее распространены ПНК с диапазоном 5В или
(0-10)В. Разрешающая способность R для АЦП определяется величиной кванта ΔКВ и характеризует наименьшее различимое изменение входной аналоговой величины. Общее число состояний входного сигнала, различимых посредством АЦП. В случае, если для представления цифрового сообщения в таком АЦП или ЦАП используется двоичный (прямой, инверсный, смещенный и т.п.) код, то разрядность, т.е. число
двоичных разрядов n этого кода, составит:
n =ent( 1+log 2 ((U max- U min)/ R) где символ ent означает выделение целой части числа; КВ R = D. Инструментальная погрешность включает в себя погрешности настройки, временной итемпературной нестабильности, нестабильности источников питания и т.п. Все инструментальные погрешности проявляются в виде смещения нуля передаточной характеристики,изменения коэффициента передачи и отклонения передаточной характеристики от идеальной. Значение инструментальной погрешности определяется возможностями технологии ииспользуемыми компонентами для выбранного алгоритма преобразования; снижениеинструментальной погрешности обычно связано со значительными затратами. При правильном выборе АЦП и ЦАП инструментальная погрешность должна соответствовать величине
кванта. Таким образом, инструментальная погрешность определяет возможную разрядность преобразователя. Современные ПНК характеризуются разрядностью п = (8 — 14) и выше (до 64). Каждый отсчет, представляемый в АЦП и ЦАП n—разрядным числом, является неделимым для обработки квантом информации, однако передаваться через интерфейс он может параллельно-последовательным способом. (Разрядность преобразователей угловых и линейных механических перемещений в цифровой код достигает n = (20-22) и выше). Быстродействие АЦП и ЦАП характеризуют временем преобразования ТПР, т.е. интервалом от начала преобразования до момента получения выходного сигнала. Для АЦП значение T< T ПР, где Т — шаг дискретизации; для ЦАП в качестве ТПР принимают время установления выходной величины с заданной точностью (обычно с точностью до величины кванта). Время преобразования определяется не только быстродействием используемых элементов АЦП, но и алгоритмом преобразования и разрядностью преобразователя. Преобразователи цифрового кода в напряжение постоянного тока.
Принцип действия ПКН заключается в суммировании аналоговых величин (токов или напряжений), пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода. ПНК могут быть однополярными, двуполярными.
Преобразователи напряжения постоянного тока в цифровой двоичный код.
Принцип действия большинства ПНК основан на подборе кода, который, будучи преобразованным в напряжение, позволяет получать минимальное отклонение от входного напряжения Ux, поступающего на ПНК. В схемах ПНК используются преобразователи кода в напряжение, логические схемы подбора кода и компараторы, осуществляющие сравнение входного напряжения Ux и напряжения UA на выходе ПКН. Компараторы (их иногда называют схемами сравнения, или нуль-органами) строятся, как правило, на базе дифференциальных ОУ; они позволяют формировать дискретный выходной сигнал С в зависимости от знака разности входных аналоговых напряжений Ux и UA, т.е.
Алгоритм подбора кода определяет быстродействие ПНК, сложность его технической реализации и во многих случаях достижимую разрядность. Одним из наиболее распространенных является алгоритм последовательного приближения. Алгоритмы преобразования и схемные решения ПНК характеризуются большим разнообразием, что обусловлено необходимостью получения высокой точности или высокого быстродействия, а также особенностями технологии. Наибольшим быстродействием обладают ПНК непосредственного считывания (рис.4.9), в которых реализуется алгоритм параллельного преобразования. Весьма распространенным методом преобразования является двойное интегрирование. ПНК, реализующие этот метод, позволяют получать высокую точность, соответствующую 14-16 двоичным разрядам. Однако такие ПНК имеют низкое быстродействие.
Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 21; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!