В.И. Капля, Е.В. Капля
Вычислительные машины, системы и сети
(Учебное пособие)
2011
ВВЕДЕНИЕ. 3
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. 4
2. КЛАВИАТУРА И МАНИПУЛЯТОРЫ. 8
2.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КЛАВИАТУРЫ С ЭВМ. 8
3. ВИДЕОСИСТЕМЫ. 11
3.1. СТРУКТУРА ВИДЕОСИСТЕМ. 11
3.2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ВИДЕОСИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ РОГРАММНЫХ ПРЕРЫВАНИЙ. 13
3.4. МОНИТОРЫ. 19
4. НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ НА МАГНИТНЫХ ДИСКАХ 22
4.1. СТРУКТУРА НАКОПИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ НА МАГНИТНЫХ ДИСКАХ 22
4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ. 23
4.4. КОДИРОВАНИЕ И СЖАТИЕ ЗАПИСЫВАЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ 25
4.5. ПРОГРАММИРОВАНИЕ РАБОТЫ ДИСКОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ 28
5. НАКОПИТЕЛИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ ТИПА CD-ROM. 30
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАКОПИТЕЛЯХ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ ТИПА CD-ROM. 30
5.2. СТРУКТУРА КАНАЛОВ ЗАПИСИ И ЧТЕНИЯ В СИСТЕМЕ CD. 31
5.3. КОНСТРУКЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО БЛОКА. 35
5.4. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ 37
6. МОДЕМЫ 41
6.2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МОДЕМОВ 43
7. СЕТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА. 48
7.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СЕТЕЙ ЭВМ 48
СЕТЕВЫЕ АДАПТЕРЫ 49
СЕТЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ. 51
8. ЗВУКОВЫЕ ПЛАТЫ. 54
8.1. СТРУКТУРА ЗУКОВЫХ ПЛАТ 54
8.2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЗВУКОВЫХ ПЛАТ. 55
9. УСТРОЙСТВА ВВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭМВ. 58
СКАНЕРЫ. 58
9.2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СКАНЕРОВ. 60
9.3. ФОТОКАМЕРЫ И ВИДЕОКАМЕРЫ. 61
10. ПРИНТЕРЫ. 67
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПРИНТЕРОВ. 67
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПРИНТЕРОВ. 69
11.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТРУКТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПЛАТ. 70
11.2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. 73
11.3. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. 77
12. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ. 78
12.1. СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ 78
12.2. СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 81
12.3. СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. 83
ЛИТЕРАТУРА. 87
Введение.
Многофункциональность современных ЭВМ и вычислительных систем обеспечивается путем оснащения их системой периферийных устройств. Первоначально, ЭВМ представляла собой совокупность арифметико-логического устройства, схемы управления, запоминающего устройства и соединяющей их информационной шины, прочие устройства считались периферийными, т.е. удаленными. Миниатюризация позволила уменьшить габариты ЭВМ и ее периферийных устройств (ПУ), что обусловило объединение некоторых ПУ в одном корпусе с ЭВМ. Таким образом, даже одну ЭВМ можно рассматривать как вычислительную систему. Одним из вариантов повышения производительности ЭВМ является совместное использование на одной плате нескольких процессоров - многопроцессорные ЭВМ.
ПУ ЭВМ предназначены для повышения эффективности использования ЭВМ на производстве, в науке и в быту. Виды ПУ: клавиатура и манипуляторы, видеосистемы, магнитные накопители информации, оптические дисковые устройства, принтеры, сетевые устройства, звуковые платы, сканеры, цифровые фотокамеры, измерительные платы (виртуальные измерительные системы), периферийные микропроцессорные устройства. Не смотря на разнообразие выполняемых функций, все виды ПУ объединяет идея цифровой обработки информации, реализуемая ЭВМ и контроллерами ПУ. Номенклатура систем и устройств, активно взаимодействующих с ЭВМ постоянно растет, в чем можно убедиться изучая современную литературу [1-14]. В качестве примеров можно привести семейство оптических систем накопления информации, цифровые фотокамеры и цифровые системы связи. Эти примеры показывают, что в настоящее время, ЭВМ становится основным средством для демонстрации фотографий и главным потребителем ресурсов каналов связи.
Рост числа видов ПУ имеет две тенденции: во-первых, появляются принципиально новые устройства и, во-вторых, внедрение цифровых методов обработки информации в ранее автономные приборы и устройства превращает их в периферийные.
Производственные и научные задачи часто требуют нестандартного применения существующих или создания новых ПУ. В основе решения таких задач лежит процесс разработки программ. Программирование ПУ является сложной задачей, для решения которой необходимо знание машинно-ориентированных языков, логической структуры ПУ, структуры протоколов информационного обмена, перечня команд и сообщений.
Общие принципы построения эвм и вычислительных систем.
Основу ЭВМ образует процессор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Архитектура ЭВМ строится на использовании шинной структуры: унификации электрических и логических параметров взаимодействующих элементов. Основным диспетчером процессов обмена информацией является процессор, который также имеет шинную архитектуру. Структура типичного процессора изображена на рис.1.1.
Рис.1.1. Структурная схема процессора Pentium ММХ.
Микропроцессор Pentium MMX содержит 4.5 млн. транзисторов и производится по технологии КМОП 0.35 (мкм). Процессор использует два напряжения питания 3.3 (В) и 2.8 (В). Рассеиваемая мощность процессора составляет 15.7 (Вт). Процессор содержит два командных конвейера (U и V ). Конвейер U может выполнять все целочисленные команды и команды с плавающей точкой. Конвейер V - простые целочисленные команды и команду с плавающей точкой FXCH.
Два конвейера процессора Pentium могут выполнять две команды одновременно. Выполнение команд осущетвляется в 5 этапов: 1)предвыборка; 2)декодирование 1; 3)декодирование 2; 4)выполнение; 5)запись результатов. При этом несколько команд могут находиться на разных этапах выполнения.
Процессор Pentium MMX поддерживает дополнительный мультимедийный набор команд. Применение ММХ-команд позволяет увеличить скорость выполнения мультимедийных приложений на 60% по сравнению Pentium.
На рис.1.1 показаны раздельные кэш-памяти команд и данных процессора Pentium ММХ. Каждый кэш имеет объем 16 Кбайт и содержит два порта, по одному для каждого исполнительного конвейера. Кэш данных снабжен буфером трансляции адресов (TLB). Разрешение или запрещение кэширования страниц памяти может задаваться индивидуально, с помощью программных или аппаратных средств.
Кэш команд, буфер адресов переходов и буфер предварительной выборки обеспечивают подачу команд к исполнительным модулям процессора. Программируемый внутренний контроллер прерываний APIC обеспечивает обслуживание как внутренних, та и внешних прерываний.
В Pentium MMX улучшена система предсказания переходов. Количество буферов предварительной выборки команд увеличено до 4-х (по 16 байт), что позволяет осуществлять предвыборку по 4-м независимым направлениям.
Благодаря 64-разрядной шине данных процессор Pentium может обмениваться данными с памятью со скоростью 528 Мбайт/с. Расширенная шина данных поддерживает поток команд и данных, передаваемых суперскалярному исполнительному процессорному ядру, что способствует повышению интенсивности обработки. Для увеличения пропускной способности шины данных в процессоре Pentium реализована конвейеризация циклов шины, позволяющая начать второй цикл еще до завершения первого. Этому способствует поддержка пакетного чтения и записи, проверка четности адреса и данных.
Для повышения скорости выполнения последовательных операций записи в память процессор Pentium имеет два буфера записи (по одному на каждый конвейер), благодаря которым процессор может продолжать работу, выполняя следующие команды, хотя результат одной из текущих команд еще не записан в память из-за занятости шины.
С целью повышения надежности системы в процессоре Pentium предусмотрено внутреннее обнаружение ошибок и тестирование с помощью функциональной избыточности.
Периферийные устройства, в общем случае, реализуют обмен ЭВМ информацией с внешней средой, определенной физической природы, и, прежде всего с человеком. ПУ могут иметь различную степень сложности: простейшим ПУ может являться кнопка, но, обычно, это специализированная ЭВМ (контроллер), оснащенная исполнительными элементами и контрольными датчиками, имеющая канал связи с ЭВМ.
Управление ПУ осуществляется соответствующим программным обеспечением (ПО), которое реализует алгоритмы формирования управляющих кодов, прием и обработку информации, взаимодействие с оператором. ПО в большинстве случаев оформляется в виде специальных программ - драйверов, инициализируемых при обращении к конкретному ПУ и учитывающих его особенности. Канал связи - это один из портов или одна из внутренних шин ЭВМ.
Для работы со стандартными ПУ предусмотрена система аппаратных и программных прерываний [1,3]. Аппаратные прерывания позволяют процессору узнавать о факте обращения к нему контроллера ПУ в момент запроса, не прибегая к его периодическому опросу. При возникновении прерывания процессор заносит в стек содержимое счетчика команд и регистра флагов, а затем переходит на выполнения команды вызвавшего прерывания. Отработка прерывания заканчивается возвратом к прерванной программе.
Периферийные устройства, в зависимости от решаемых ими задач, могут либо включаться в состав ЭВМ, либо находиться на значительном удалении. В первом случае ПУ располагается в системном блоке или в непосредственной близости от него, а во втором, взаимодействие осуществляется с помощью средств коммуникации, например, волоконно-оптической линии. Для подключения к ЭВМ можно использовать следующие стандартные средства:
системные шины ЭВМ (ISA, EISA, PCI),
адаптеры интерфейсов IDE, SCSI,
порты ЭВМ (COM1-4, LPT1-2, USB).
Перечисленные средства предназначены для обеспечения работы ПУ с различным быстродействием, нагрузочной способностью и протоколами обмена. Наибольшим быстродействием обладают системные шины, но их нагрузочная способность строго ограничена. Обычно, к системным шинам подключаются видеосистемы, звуковые и сетевые платы, а также адаптеры интерфейсов и портов. Подключение ПУ к системной шине позволяет назначить ему определенный номер аппаратного прерывания (из числа свободных), выделить определенный диапазон адресов портов данных и область (окно) в оперативной памяти, для буферирования данных. Регистры портов используют для передачи команд контроллеру ПУ и приему от него сообщений о состоянии и о результатах выполнения заданной команды.
Интерфейс IDE обеспечивает скорость обмена данными 12 Мбит/с, допускает подключение двух устройств и используется для работы с жесткими или оптическими дисками. Интерфейс SCSI аналогичен IDE, но обладает большей нагрузочной способностью и позволяет подключать до семи устройств через кабель до 25 метров.
Последовательные порты СОМ1-4 реализуют интерфейс RS-232 и позволяют осуществлять обмен информацией со скоростью 10 Кбайт/c через кабель до 15 метров. Параллельные порты LPT1-2 реализуют интерфейс Centronics, позволяющий двухсторонний байтовый обмен.
USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - интерфейс для подключения различных внешних устройств. Предусматривает подключение до 127 внешних устройств к одному USB-каналу (по принципу общей шины), реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - 12 Мбит/с.
Анализ работы ПУ, в общем случае, целесообразно проводить с использованием теории цифровых автоматических систем управления, рассматривая исполнительные элементы и контрольные датчики как систему управляющих и обратных связей, определяющих устойчивость, точность и прочие характеристики системы.