Шины информационного обмена.

Большинство персональных компьютеров и рабочих станций имеют физическую структуру, сходную с той, которая изображена на рис. 2.23. Обычное устройство представляет собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая называется материнской платой. Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные микросхемы поддержки Она также содержит шину, протянутую вдоль нее, и несколько разъемов для подсоединения плат устройств ввода-вывода. Иногда может быть две шины

одна с высокой скоростью передачи данных (для современных плат устройств ввода-вывода), а другая с низкой скоростью передачи данных (для старых плат устройств в вода-вывода).

Логическая структура обычного персонального компьютера показана на рис. 2.24. У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода, однако большинство систем содержат две и более шин. Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна из них содержит большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно содержится на плате, которая втыкается в свободный разъем. Исключение

представляют контроллеры, являющиеся обязательными (например, клавиатура), которые иногда располагаются на материнской плате. Хотя дисплей (монитор) и не является факультативным устройством, соответствующий контроллер иногда располагается на встроенной плате, чтобы пользователь мог по желанию выбирать платы с графическими ускорителями или без них, устанавливать дополнительную память и т. д. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который подсоединяется к разъему на задней стороне корпуса.

Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и регулирует доступ к шине для этого. Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет команды поиска и другие команды на диск. После нахождения соответствующей дорожки и сектора диск начинает передавать контроллеру данные в виде потока битов. Задача контроллера состоит в том, чтобы разбить поток битов на куски и записывать каждый такой кусок в память по мере их накопления. Отдельный кусок обычно представляет собой одно или несколько слов. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят,

что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, сокращенно DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерывания и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходимые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершена, процессор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания.

Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. А что происходит, если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно? В этом случае особая микросхема, которая называется арбитром шины, решает, чья очередь первая. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для связи с памятью. Однако если какое-нибудь устройство ввода-вывода находится в действии,

оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Такой процесс называется занятием цикла памяти и замедляет работу компьютера.

Такая система успешно использовалась в первых персональных компьютерах, поскольку все их компоненты работали примерно с одинаковой скоростью. Однако как только центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали работать быстрее, возникла проблема: шина больше не могла справляться с такой нагрузкой. В случае с закрытыми системами, например рабочими станциями, решением данной проблемы стала разработка новой шины с более высокой скоростью передачи данных для следующей модели машины. Поскольку никто никогда не переносил устройства ввода-вывода со старой модели на новую, такой подход работал успешно. И все же в мире персональных компьютеров многие заменяли процессор более усовершенствованным, но при этом хотели подсоединить свой старый принтер, сканер и модем к новой системе. Кроме того, существовала целая обширная отрасль промышленности, которая выпускала широкий спектр устройств ввода-вывода для шины IBM PC, и производители этих устройств были совершенно не заинтересованы в том, чтобы начинать все разработки заново. Компания IBM прошла этот тяжелый путь, выпустив после серии IBM PC серию PS/2. У PS/2 была новая шина с более высокой скоростью передачи данных, но большинство производителей клонов продолжали использовать старую шину PC, которая сейчас называется шиной ISA (Industry Standard Architecture - стандартная промышленная архитектура). Большинство производителей дисков и устройств ввода-вывода также продолжали выпускать контроллеры для старой модели, поэтому IBM оказалась в весьма неприятной ситуации, поскольку она в тот момент была единственным производителем персональных компьютеров, несовместимых с серией IBM. В конце концов, компания была вынуждена вернуться к производству компьютеров на основе шины ISA. Отметим, что ISA также может быть сокращением от Instruction Set Architecture (архитектура набора команд), если речь идет об уровнях компьютера. А если речь идет о шинах, аббревиатура ISA означает Industry Standard Architecture (стандартная промышленная архитектура).

Тем не менее, несмотря на то, что из-за влияния рынка никаких изменений не

произошло, старая шина работала слишком медленно, поэтому что-то нужно было предпринять. Данная ситуация привела к тому, что другие компании начали производить компьютеры с несколькими шинами, одна из которых была старой шиной ISA или EISA (Extended ISA — расширенная архитектура промышленного стандарта). EISA — последователь ISA, совместимый со старыми версиями. В настоящее время самой популярной из них является шина PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Она была разработана компанией Intel, при этом было решено сделать все патенты всеобщим достоянием, чтобы вся компьютерная промышленность (в том числе и конкуренты компании) могла перенять эту идею. Существует много различных конфигураций шины PCI. Наиболее типичная из них показана на рис. 2.25. В такой конфигурации центральный процессор общается с контроллером памяти по специальному средству связи с высокой скоростью передачи данных. Контроллер соединяется с памятью и шиной PCI непосредственно, и таким образом, передача данных между центральным процессором и памятью происходит не через шину PCI. Однако периферийные устройства с высокой скоростью передачи данных, например SCSI-диски, могут подсоединяться прямо к шине PCI. Кроме того, шина PCI имеет параллельное соединение с шиной ISA, чтобы можно было использовать контроллеры ISA и соответствующие устройства. Машина такого типа обычно содержит 3 или 4 пустых разъема PCI и еще 3 или 4 пустых разъема ISA, чтобы покупатели имели возможность вставлять и старые карты ввода-вывода ISA (для медленно работающих устройств), и новые карты PCI (для устройств с высокой скоростью работы).

В настоящее время существует много разных видов устройств ввода-вывода.

Некоторые наиболее распространенные из них описываются ниже.

Терминалы компьютера состоят из двух частей: клавиатуры и монитора. В больших компьютерах эти части соединены в одно устройство и связаны с самим компьютером обычным или телефонным проводом. В авиакомпаниях, банках и различных отраслях промышленности, где работают с такими компьютерами, эти устройства до сих пор широко применимы. В мире персональных компьютеров клавиатура и монитор - независимые устройства. Но и в том и в другом случае технология этих двух частей одна и та же.

Существует несколько видов клавиатур. У первых компьютеров IBM PC под каждой клавишей находился переключатель, который давал ощутимую отдачу и щелкал при нажатии клавиши. Сегодня у самых дешевых клавиатур при нажатии клавиш происходит лишь механический контакт с печатной платой. У клавиатур получше между клавишами и печатной платой кладется слой из эластичного материала (особого типа резины). Под каждой клавишей находится небольшой купол, который прогибается в случае нажатия клавиши. Проводящий материал, находящийся внутри купола, замыкает схему. У некоторых клавиатур под каждой клавишей находится магнит, который при нажатии клавиши проходит через катушку и таким образом вызывает электрический ток. Также используются другие методы, как механические, так и электромагнитные. В персональных компьютерах при нажатии клавиши происходит процедура прерывания и запускается программа обработки прерывания (эта программа является частью операционной системы). Программа обработки прерывания считывает регистр аппаратного обеспечения в контроллер клавиатуры, чтобы получить

номер клавиши, которая была нажата (от 1 до 102). Когда клавишу отпускают, происходит второе прерывание. Так, если пользователь нажимает клавишу SHIFT, затем нажимает и отпускает клавишу «М>, а затем отпускает клавишу SHIFT, операционная система понимает, что ему нужна заглавная, а не строчная буква «М». Обработка совокупности клавиш SHIFT, CTRL и ALT совершается только программным обеспечением (сюда же относится известное сочетание клавиш CTRL-ALT-DEL, которое используется для перезагрузки всех компьютеров IBM PC и их клонов).

Монитор представляет собой коробку, содержащую электронно-лучевую трубку и ее источники питания. Электронно-лучевая трубка включает в себя электронную пушку, которая выстреливает пучок электронов на фосфоресцентный экран в передней части трубки, как показано на рис. 2.26, а. (Цветные мониторы содержат три электронные пушки: одну для красного, вторую для зеленого и третью для синего цвета.) При горизонтальной развертке пучок электронов (луч) развертывается по экрану примерно за 50 мкс, образуя почти горизонтальную полосу на экране.

Затем луч совершает горизонтальный обратный ход к левому краю, чтобы начать следующую развертку. Устройство, которое так, линия за линией, создает изображение, называется устройством растровой развертки.

Горизонтальная развертка контролируется линейно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины горизонтального отклонения, расположенные слева и справа от электронной пушки. Вертикальная развертка контролируется более медленно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины вертикального отклонения, расположенные под и над электронной пушкой. После определенного количества разверток (от 400 до 1000) напряжение на пластинах вертикального и горизонтального отклонения спадает, и луч возвращается в верхний левый угол экрана. Полное изображение возобновляется от 30 до 60 раз в секунду. Движения луча показаны на рис. 2.26, 6. Хотя мы описали работу электронно-лучевых трубок, в которых для развертки луча по экрану используются электрические поля, во многих моделях вместо электрических используются магнитные поля (особенно в дорогостоящих мониторах).

Для получения на экране изображения из точек внутри электронно-лучевой

трубки находится сетка. Когда на сетку воздействует положительное напряжение, электроны возбуждаются, луч направляется на экран, который через некоторое время начинает светиться. Когда используется отрицательное напряжение, электроны отталкиваются и не проходят через сетку, и экран не зажигается. Таким образом, напряжение, воздействующее на сетку, вызывает появление соответствующего набора битов на экране. Такой механизм позволяет переводить двоичный электрический сигнал на дисплей, состоящий из ярких и темных точек.

Электронно-лучевые трубки слишком громоздкие и тяжелые для использования в портативных компьютерах, поэтому для таких экранов необходима совершенно другая технология. В таких случаях чаще всего используются жидкокристаллические дисплеи. Эта технология чрезвычайно сложна, имеет несколько вариантов воплощения и быстро меняется, поэтому мы из необходимости сделаем ее описание по возможности кратким и простым. Жидкие кристаллы представляют собой вязкие органические молекулы, которые двигаются, как молекулы жидкостей, но при этом имеют структуру, как у кристалла. Они были открыты австрийским ботаником Рейницером (Rheinitzer) в 1888 году и впервые стали применяться при изготовлении различных дисплеев (для калькуляторов, часов и т. п.) в 1960 году. Когда молекулы расположены в одну линию, оптические качества кристалла зависят от направления и поляризации воздействующего света. При использовании электрического поля линия молекул, а, следовательно, и оптические свойства могут изменяться. Если воздействовать лучом света на жидкий кристалл, интенсивность света, исходящего из самого жидкого

кристалла, может контролироваться с помощью электричества. Это свойство используется при создании индикаторных дисплеев. Экран жидкокристаллического дисплея состоит из двух стеклянных параллельно расположенных пластин, между которыми находится герметичное пространство с жидким кристаллом. К обеим пластинам подсоединяются прозрачные электроды. Искусственный или естественный свет за задней пластиной освещает экран изнутри. Электроды, подведенные к пластинам, используются для того, чтобы создать электрические поля в жидком кристалле. На различные части экрана воздействует разное напряжение, и таким образом можно контролировать изображение. К передней и задней пластинам экрана приклеиваются поляроиды, поскольку технология дисплея требует использования поляризованного света. Общая структура показана на рис. 2.27, а.

В настоящее время используются различные типы жидкокристаллических дисплеев, но мы рассмотрим только один из них - дисплей со скрученным нематиком. В этом дисплее на задней пластине находятся крошечные горизонтальные желобки, а на передней — крошечные вертикальные желобки, как показано на рис. 2.27, б. При отсутствии электрического поля молекулы направляются к этим желобкам. Так как они (желобки) расположены перпендикулярно друг к другу, молекулы жидкого кристалла оказываются скрученными на 90°.

На задней пластине дисплея находится горизонтальный поляроид. Он пропускает только горизонтально поляризованный свет. На передней пластине дисплея находится вертикальный поляроид. Он пропускает только вертикально поляризованный свет. Если бы между пластинами не было жидкого кристалла, горизонтально поляризованный свет, пропущенный поляроидом на задней пластине, блокировался бы поляроидом на передней пластине, что делало бы экран полностью черным.

Однако скрученная кристаллическая структура молекул, сквозь которую проходит свет, разворачивает плоскость поляризации света. При отсутствии электрического поля жидкокристаллический экран будет полностью освещен. Если подавать напряжение к определенным частям пластины, скрученная структура разрушается, блокируя прохождение света в этих частях. Для подачи напряжения обычно используются два подхода. В дешевом пассивном матричном индикаторе оба электрода содержат параллельные провода. Например, на дисплее размером 640x480 электрод задней пластины содержит 640 вертикальных проводов, а электрод передней пластины - 480 горизонтальных проводов. Если подавать напряжение на один из вертикальных проводов, а затем посылать импульсы на один из горизонтальных, можно изменить напряжение в определенной позиции пиксела и, таким образом, сделать нужную точку темной. Если то же самое повторить со следующим пикселом и т. д., можно получить темную полосу развертки, аналогичную полосам в электронно-лучевых трубках. Обычно изображение на экране перерисовывается 60 раз в секунду, чтобы создавалось впечатление постоянной картинки (так же, как в электронно-лучевых трубках).

Второй подход - применение активного матричного индикатора. Он стоит гораздо дороже, чем пассивный матричный индикатор, но зато дает изображение лучшего качества, что является большим преимуществом. Вместо двух наборов перпендикулярно расположенных проводов у активного матричного индикатора имеется крошечный элемент переключения в каждой позиции пиксела на одном из электродов. Меняя состояние переключателей, можно создавать на экране произвольную комбинацию напряжений в зависимости от комбинации битов. До сих пор мы описывали, как работают монохромные мониторы. Достаточно сказать, что цветные мониторы работают на основе тех же общих принципов, что и

монохромные, но детали гораздо сложнее. Чтобы разделить белый цвет на красный, зеленый и синий, в каждой позиции пиксела используются оптические фильтры, поэтому эти цвета могут отображаться независимо друг от друга. Из сочетания этих трех основных цветов можно получить любой цвет.

Обычно используются три типа терминалов: символьные терминалы, графические терминалы и терминалы RS-232-C. Все эти терминалы в качестве входных данных получают набор с клавиатуры, но при этом они отличаются друг от друга тем, каким образом компьютер обменивается с ними информацией, и тем, каким образом передаются выходные данные. Ниже мы кратко опишем каждый из этих типов. В персональном компьютере существует два способа вывода информации на экран: символьный и графический. На рис. 2.28 показано, как происходит символьное отображение информации на экране (клавиатура считается отдельным устройством). На серийной плате связи находится область памяти, которая называется видеопамятью, а также несколько электронных устройств для получения доступа к шине и генерирования видеосигналов.

Чтобы отобразить на экране символы, центральный процессор копирует их в

видеопамять в виде байтов. С каждым символом связывается атрибутивный байт, который описывает, какой именно символ должен быть изображен на экране. Атрибуты могут содержать указания на цвет символа, его интенсивность, а также на то, мигает он или нет. Таким образом, изображение 25x80 символов требует наличия 4000 байтов видеопамяти (2000 для символов и 2000 для атрибутов). Большинство плат содержат больше памяти для хранения нескольких изображений. Видеоплата должна время от времени посылать символы из видео-ОЗУ и порождать необходимый сигнал, чтобы приводить в действие монитор. За один раз

посылается целая строка символов, поэтому можно вычислять отдельные строки развертки. Этот сигнал является аналоговым сигналом с высокой частотой, и он контролирует развертку электронного луча, который рисует символы на экране. Так как выходными данными платы является видеосигнал, монитор должен находиться не дальше, чем в нескольких метрах от компьютера, чтобы предотвратить искажение.

При втором способе вывода информации на экран видеопамять рассматривается не как массив символов 25x80, а как массив элементов изображения, которые называются пикселами. Каждый пиксел может быть включен или выключен. Он представляет один элемент информации. В персональных компьютерах монитор может содержать 640x480 пикселов, но чаще используются мониторы 800x600 и более. Мониторы рабочих станций обычно содержат 1280x960 пикселов и более. Терминалы, отображающие биты, а не символы, называются графическими терминалами. Все современные видеоплаты могут работать или как символьные, или как гра-

фические терминалы под контролем программного обеспечения. Основная идея работы терминала показана на рис. 2.28. Однако в случае с графическим изображением видео-ОЗУ рассматривается как большой массив битов.

Программное обеспечение может задавать любую комбинацию битов, и она сразу же будет отображаться на экране. Чтобы нарисовать символы, программное обеспечение может, например, назначить для каждого символа прямоугольник 9x14 и заполнять его необходимыми битами. Такой подход позволяет программному обеспечению создавать разнообразные шрифты и сочетать их по желанию. Аппаратное обеспечение только отображает на экране массив битов. Для цветных мониторов каждый пиксел содержит 8, 16 или 24 бита.

Графические терминалы обычно используются для поддержки мониторов, содержащих несколько окон. Окном называется область экрана, используемая одной программой. Если одновременно работает несколько программ, на экране появляется несколько окон, при этом каждая программа отображает результаты независимо от других программ.

Хотя графические терминалы универсальны, у них есть два больших недостатка. Во-первых, они требуют большого объема видео-ОЗУ. В настоящее время обычно используются мониторы 640x480 (VGA), 800x600 (SVGA), 1024x768 (XVGA) и 1280x960. Отметим, что у всех этих мониторов отношение ширины и высоты 4:3, что соответствует соотношению сторон телевизионных экранов. Чтобы получить цвет, необходимо 8 битов для каждого из трех основных цветов, или 3 байта на пиксел. Следовательно, для монитора 1024x768 требуется 2,3 Мбайт видео-ОЗУ. Из-за требования такого большого объема памяти приходится идти на компромисс. При этом для указания цвета используется 8-битный номер. Этот номер является индексом таблицы аппаратного обеспечения, которая называется цветовой палитрой и включает в себя 256 разделов, каждый из которых содержит 24 бита.

Биты указывают на сочетание красного, зеленого и синего цветов. Такой подход, называемый индексацией цветов, сокращает необходимый объем видео-ОЗУ на 2/3, но допускает только 256 цветов. Обычно каждое окно на экране отображается отдельно, но при этом используется только одна цветовая палитра. К тому же, когда на экране присутствуют несколько окон, правильно передаются цвета только одного из них.

Второй недостаток графических терминалов - низкая производительность.

Поскольку программисты осознали, что они могут управлять каждым пикселом во времени и пространстве, они, естественно, хотят осуществить эту возможность. Хотя данные могут копироваться из видео-ОЗУ на монитор без прохождения через главную шину, при доставке данных в видео-ОЗУ без использования шины не обойтись. Чтобы отобразить цветное изображение на полный экран размером 1024x768, необходимо копировать 2,3 Мбайт данных в видео-ОЗУ для каждого кадра. Для двигающегося видеоизображения должно сменяться, по крайней мере, 25 кадров в секунду, а скорость передачи данных должна составлять 57,6 Мбайт/с.

Шина (E)ISA не может выдержать такую нагрузку, поэтому необходимо использовать видеокарты PCI, но даже в этом случае приходится идти на компромисс. Еще одна проблема, связанная с производительностью, - как прокручивать экран. Можно скопировать все биты в программное обеспечение, но это очень сильно перегрузит центральный процессор. Не удивительно, что многие видеокарты оснащены специальным аппаратным обеспечением, которое двигает части экрана не с помощью копирования битов, а путем изменения базовых регистров.

Одни компании производят компьютеры, а другие выпускают терминалы (особенно для больших компьютеров). Чтобы (почти) любой терминал мог работать с (почти) любым компьютером, Ассоциация стандартов в электронной промышленности разработала стандартный интерфейс для терминалов под названием RS-232-C. Терминалы RS-232-C содержат стандартизированный разъем с 25 выводами. Стандарт RS-232-C определяет размер и форму разъема, уровни напряжения и значение сигнала на каждом выводе. Если компьютер и терминал разделены, чаше всего их можно соединить только по телефонной сети. К несчастью, телефонная сеть не может передавать сигналы, требуемые стандартом RS-232-C, поэтому для преобразования сигнала между компьютером и телефоном, а также между терминалом и телефоном помещается устройство, называемое модемом (модулятор-демодулятор). Ниже мы кратко рассмотрим устройство модемов.

На рис. 2.29 показано расположение компьютера, модемов и терминала при

использовании телефонной линии. Если терминал находится достаточно близко от компьютера, так, что их можно связать обычным проводом, модемы не подсоединяются, но в этом случае используются те же кабели и разъемы RS-232-C, хотя выводы, связанные с модемом, не нужны.

Чтобы обмениваться информацией, и компьютер, и терминал должны содер-

жать микросхему UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter — универсальный асинхронный приемопередатчик), а также логическую схему для доступа к шине. Чтобы отобразить на экране символ, компьютер вызывает этот символ из основной памяти и передает его UART, который затем отправляет его по кабелю RS-232-C бит за битом. В UART поступает сразу целый символ (1 байт), который преобразуется в последовательность битов, и они передаются один за другим с определенной скоростью. UART добавляет к каждому символу начальный и конечный биты, чтобы отделить один символ от другого. При скорости передачи 110 бит/с используется 2 конечных бита.

В терминале другой UART получает биты и восстанавливает целый символ,

который затем отображается на экране. Входная информация, которая поступает с клавиатуры терминала, преобразуется в терминале из целых символов в последовательность битов, а затем UART в компьютере восстанавливает целые символы.

Стандарт RS-232-C определяет около 25 сигналов, но на практике используются только некоторые из них (большинство из которых может опускаться, если терминал непосредственно соединен с компьютером проводом, без модемов). Штыри 2 и 3 предназначены для отправки и получения данных соответственно. По каждому выводу проходит односторонний поток битов (один в одном направлении, а другой в противоположном). Когда терминал или компьютер включен, он выдает сигнал готовности терминала (то есть устанавливает 1), чтобы сообщить модему, что он включен. Сходным образом модем выдает сигнал готовности набора данных, чтобы сообщить об их наличии. Когда терминалу или компьютеру нужно послать данные, он выдает сигнал запроса о разрешении пересылки. Если модем разрешает пересылку, он должен выдать сигнал о том, что путь для пересылки свободен. Другие выводы выполняют различные функции определения состояний, проверки и синхронизации.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: