Устройства отображения информации. Название: ДИСПЛЕЙ, МОНИТОР.

Название: ДИСПЛЕЙ, МОНИТОР.

 Дисплей (англ, display - показывать) относится к основным устройствам любого ПК, без которого невозможна эффективная работа. В процессе работы на экране дисплея отображаются как вводимые пользователем команды и данные, так и реакция системы на них.

Назначение. Устройство визуального отображения информации или, более точно, устройство отображения информации, находящейся в оперативной памяти, позволяющее обеспечить взаимодействие пользователя с аппаратным и программным обеспечением компьютера. Дисплеи - это важнейший компонент пользовательского интерфейса.

 Дисплей - это общее название устройства, показывающего, отображающего информацию. Под управлением ЭВМ в качестве дисплея может работать даже бытовой телевизор. Казалось бы, проблема решена - есть устройство, позволяющее быстро отображать состояние системы. Однако оказалось, что при продолжительной работе с ним пользователь быстро устает: это устройство значительно влияет на работоспособность, эмоциональный настрой, самочувствие и способно привести к потере зрения. Были разработаны специализированные устройства - мониторы, контролирующие процесс отображения (анг. Monitor - староста в классе, наблюдающий за порядком, корректирующее или управляющее устройство).

Принцип работы. Так как информация бывает разной, то используются разнообразные устройства отображения информации.

Краткая классификация дисплеев:

 

по функциональному назначению: алфавитно-цифровые, графические;

по количеству воспроизводимых цветов: монохромные и цветные;

по физическим принципам формирования изображения: дисплеи на базе электронно-лучевой трубки, жидкокристаллические панели, дисплеи на плазменных (газоразрядных) панелях, светодиодные матрицы.

Отличие алфавитно-цифровых (иногда говорят «знакоместных») и графических дисплеев состоит в том, что:

 

первые способны воспроизводить только ограниченный набор символов, причем символы могут выводиться толь ко в определенные позиции экрана (чаще всего на экран можно вывести 24 или 25 строк по 40 или 80 символов в строке);

вторые отображают как графическую, так и текстовую информацию, при этом экран разбит на множество точек (пикселей), каждая из которых может иметь тот или иной цвет. Из этих светящихся точек и формируется изображение.

Монохромные устройства способны воспроизводить информацию только в каком-либо одном цвете, возможно, с различными оттенками (градациями яркости). Встречаются чёрно-белые экраны, а также зелено-желтые. Многие специалисты признают, что для длительной работы за компьютером лучше использовать монохромный дисплей: глаза при этом устают намного меньше.

Цветные дисплеи обеспечивают отображение информации в нескольких оттенках цвета (от 16 оттенков до более чем 16 млн). Фактически, современные дисплеи могут отображать столько оттенков, сколько позволяет видеокарта, память которой хранит информацию о цветах точек экрана.

 

Наиболее распространены дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Большинство персональных компьютеров оснащено в основном ЭЛТ-дисплеями. Они работают подобно бытовому телевизору.

Преимущества: современные ЭЛТ-дисплеи имеют высокое качество изображения, достаточно дёшевы и надёжны.

Недостатки: такие дисплеи достаточно громоздки, потребляют много энергии, имеют более высокий уровень излучения, чем дисплеи других типов.

 

Жидкокристаллические дисплеи (Liquid-Crystal Display), или LCD-дисплеи. Их действие основано на эффекте потери жидкими кристаллами своей прозрачности при пропускании через них электрического тока. Применяются преимущественно в портативных компьютерах (notebook).

Преимущества: жидкокристаллические дисплеи не создают вредного для здоровья пользователя излучения, наиболее экономичны в потреблении энергии, обеспечивают хорошее качество изображения.

Недостатки: такие дисплеи достаточно дороги, небольшие (14" ) размеры экрана; если смотреть на экран сбоку, то почти ничего нельзя разглядеть.

 

Газо-плазменные дисплеи (plasma displays). Действие основано на свечении газа при пропускании через него электрического тока. Обычно газо-плазменные индикаторы состоят из нескольких подобных элементарных ячеек, число точек в каждой из которых подобрано наиболее оптимальным образом для отображения одиночных символов. Эти дисплеи применяются в основном в специализированных ЭВМ для отображения строк символов.

 

Светодиодные матрицы (LED-дисплеи). Обычно применяются во встроенных ЭВМ (используемых в автоматизированных линиях на промышленном производстве, в робототехнике и так далее) для отображения небольших объёмов текстовой информации.

 

Панели на основе светящихся пластмасс (LEP-панели).

Преимущества:

 

они светятся сами, что снижает энергопотребление. Кусочки пластика, излучающего красный, синий, зелёный свет, наносятся на гибкую пластиковую основу точно так же, как люминофор на поверхность кинескопа, к ним подводятся проводники - экран готов.

такие панели имеют небольшой вес при больших размерах. Например, гибкий пластиковый экран размером 1 м2 может весить несколько десятков грамм.

LEP-элементы надёжны.

Основные пользовательские характеристики:

 

Размер экрана по диагонали. Измеряется в дюймах. Имеются 14", 15", 17", 21" и др. мониторы. Размер изображения, как правило, на дюйм меньше размера кинескопа. Считается, что 15" монитор отлично подходит для работы в домашних условиях; 17" монитор необходим для профессиональной работы с графикой; размеры экрана, большие 21" для персонального монитора на сегодняшний день не очень удобны для пользования, так как экран тяжело окинуть взглядом.

Размер зерна экрана - расстояние в миллиметрах между двумя соседними люминофорами одного цвета. Меньший размер зерна соответствует более резкой и контрастной картинке, создавая общее впечатление чистоты цвета и чёткого контура изображения. У мониторов разного типа размер зерна экрана может находиться в пределах от 0, 18 до 0, 50 мм. Наиболее оптимальными для восприятия считаются мониторы с зерном экрана от 0, 24 до 0, 28 мм.

Разрешающая способность - число пикселей (точек экрана) по горизонтали и вертикали. Эта характеристика определяет контрастность изображения. Она зависит от размера экрана и размера зерна экрана, но может изменяться (в определённых пределах) с помощью программной настройки.

Таблица 1. Взаимосвязь размера экрана, размера зерна, разрешения экрана (оптимальные с точки зрения эргономики разрешающие способности при различных размерах кинескопа и зерна экрана)

 

Размер экрана      Размер зерна экрана

Разрешение

640x480     Разрешение

800x600     Разрешение

1024x768   Разрешение

280x1024   Разрешение

1600x1200

14" 0, 35 0, 28 0, 22 0, 18 0, 16

17" 0, 43 0, 34 0, 27 0, 22 0, 19

21" 0, 50 0, 40 0, 31 0, 25 0, 22

Число передаваемых цветов. Начиная со стандарта VGA, любой монитор способен отображать столько цветов, сколько обеспечивает объём памяти видеокарты.

Частота кадровой развёртки (скорость регенерации экрана, частота синхронизации) - это число изображений на экране монитора, перерисовываемых лучом электронной трубки за единицу времени. Данный параметр показывает, с какой скоростью обновляется изображение на экране. Измеряется в герцах. При изменении изображения с частотой кадровой развёртки менее 50-60 Гц человеческий глаз успевает реагировать на изменение картины экрана, становится заметным мерцание экрана. При этом глаза устают, воспаляются, может появиться головная боль. Именно поэтому разработан европейский стандарт, определяющий минимальную допустимую частоту кадровой развёртки на уровне 70 Гц, а рекомендуемую - не менее 85 Гц.

Соответствие стандартам безопасности. Поскольку при работе за компьютером наибольшее внимание уделяется пользователем именно изображению на экране дисплея, а ЭЛТ-монитор, как любой телевизор, излучает электромагнитные волны во всех диапазонах — от частоты развёртки кадров (50-100 Гц) до рентгеновского, то здоровья это не добавляет. И если от телевизора можно отодвинуться, то при работе с компьютером возникают проблемы. Поэтому были разработаны мониторы с внутренним экранированием и пониженным уровнем излучения (LR - Low Radiation). Позже были приняты стандарты на допустимый уровень излучения монитора - MPR II и ТСО'92. Глазу вредят и блики - отражение от экрана постороннего света. Специальное антибликовое покрытие хороших мониторов поглощает отражённый свет. Снизить излучение и отражение можно, навесив на монитор специальный экран.

Название: ВИДЕОКАРТА, ВИДЕОАДАПТЕР.

Назначение. Видеокарта - это устройство, управляющее дисплеем и обеспечивающее вывод изображений на экран. Она определяет разрешающую способность дисплея и количество отображаемых цветов.

 Сигналы, которые получает дисплей (числа, символы, изображения и сигналы синхронизации) формируются именно видеокартой.

 Видеоадаптер (видеоакселератор) - процессор, позволяющий выполнять многие операции с графическими данными без использования центрального процессора

 Видеокарта состоит из:

 

набора микросхем (или одной интегрированной микросхемы - видеоакселератора);

цифроаналогового преобразователя данных, находящихся в видеопамяти, в видеосигнал;

видеопамяти;

самой платы с разъёмами.

Пользовательские характеристики видеокарт:

 

объём и тип видеопамяти;

функциональные возможности процессора (микросхем); совместимость с дисплеем и шиной соединения.

 В настоящее время насчитывается более 30 модификаций видеокарт, различающихся конструкцией, параметрами и стандартами. Наиболее распространёнными в настоящее время являются видеокарты VGA (Video Graphics Array), SVGA (Super VGA), XGA (eXtended Graphics Array).

 

Манипулятор мышь

 

 

Мышь - это устройство, с помощью которого пользователь общается с системой на интерактивно-графическом рабочем месте. По принципу действия различают:

 

оптико-механическую мышь;

 

оптическую мышь.

 

 

Рисунок 1.65 - Устройство оптико-механической мыши

 

 

У оптико-механической мыши встроенный в корпус шарик движется по столу вместе с мышью. Вращательное движение путем трения передается на два потенциометра X, Y. В случае с оптической мышью, у которой нет шарика, она движется по мелкорастровому планшету, который считывается через фотоэлементы (рисунок 1.65). Чувствительность мыши измеряется в cpi (counts per inch - отсетов на дюйм) и обычно составляет от 100 до 200 cpi. Бывают мыши с 1, 2, 3 и до 16 клавишами. Оптические мыши отличаются высокой надежностью, так как практически не имеют механической начинки и трущихся частей (к механике можно отнести лишь кнопки и колесо прокрутки). В настоящее время используются мыши второго поколения. В нижней части такой мыши установлен специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь. Миниатюрная камера " фотографирует" поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору мыши, который и делает выводы об изменении координат мыши.

 

Альтернативой мыши - является трэкболл (шар) - (мышь наоборот, в которой движут шарик) или специальный джойстик на аналитическом плоттере.

 

 

^ 1.14 Устройства ввода-вывода речевой информации

 

Модель речи. Устройства ввода – вывода (УВв) речевой информации относятся к совмещенным периферийным устройствам.

 

Существуют несколько методов анализа речи. Первым был применен метод предварительной визуализации речи. При этом анализируются оптические изображения губ оператора. Этот метод построен на опыте языка общения глухонемых и тяготеет к бионике. Второй метод - метод анализа колебаний голосовых связок, снимаемых с помощью лорингофона. Он, как и первый метод, тяготеет к бионике и пригоден к работе в условиях сильных звуковых помех, например, в кабине летательного аппарата, вблизи прокатного стана. Третий метод анализа - анализ спектральных характеристик речи - энергетических, частотных, временных и амплитудных спектров. Этот метод рассмотрим подробнее в применении к распознаванию отдельных слов, например, команд управления.

 

^ Структурная схема анализатора речи. Анализаторы подразделяются на два основных класса: анализаторы сигналов и анализаторы сообщений. В анализаторах сигналов достигается сжатие (компрессия) информационного потока сигналов с микрофона (105 бит/c) за счет учета акустических и статистических характеристик речевого сигнала без обращения к его смысловой функции.

 

Cистемы речевого общения строятся на базе специализированных речевых процессоров. Анализатор реализуется аппаратно и представляет собой специализированное устройство, включающее в себя электронные схемы, называемые предпроцессором. Предпроцессор - программно-управляемое аналогово-цифровое устройство, которое осуществляет спектральный анализ речевого сигнала с последующим преобразованием данных в цифровую форму.

 

Для получения значений шести спектральных параметров звука (при анализе по методу спектральных характеристик речи) электрический сигнал, полученный с микрофона, пропускается через три полосовых фильтра (рисунок 1.66) с полосами пропускания, равными поддиапазонам речевого спектра. В каждом канале трех поддиапазонов пиковый детектор выделяет максимальное значение амплитуд сигналов за время кванта; аналого-цифровой преобразователь выдает в двоичном коде значение величины выделенной амплитуды. Для обеспечения стабильной работы в схему анализатора введены усилители, охваченные обратной связью, которые осуществляют автоматическую регулировку усиления амплитуды сигнала.

 

На выходе порогового устройства получаются полуволны гармонических составляющих спектра сигнала в данном поддиапазоне.

 

Затем программно производится объединение или разбиение квантов речи в зависимости от того, установившийся сегмент речи или переходной, параметры соседних квантов которого резко меняются. Для этого необходимо измерять сходство между параметрами двух соседних квантов, а затем и сегментов. При большом сходстве кванты объединяются, если же изменение параметров слишком велико, сегменты разбиваются. Таким образом определяются границы фонем.

 

Рисунок 1.66 - Структурная схема анализатора речи по

 

методу спектральных характеристик

 

^ Структура устройств ввода речи. Процесс ввода речи, как процесс распознавания слуховых образов, состоит из трех этапов: анализа, идентификации и ввода в ЭВМ (рисунок 1.67). Основные трудности представляет индивидуальность голоса и слитность речи, что усложняет анализ и идентификацию единиц речи - звуков, фонем, слов.

 

Рисунок 1.67 - 3 этапа процесса ввода речевого сообщения

 

В основе лежит принцип распознавания образов. Система выделяет из поступающего речевого сигнала набор некоторых признаков, составляющий его описание, затем сравнивает полученное описание с эталонными описаниями, хранящимися в библиотеке.

 

Все системы ввода речи делятся по следующим критериям:

 

способности распознавать слитную речь или отдельно произносимые слова;

 

объему словаря распознаваемых слов;

 

ориентированности на одного говорящего или на произвольное число говорящих.

 

Если набор слов ограничен, то распознавать слова и границы между ними довольно просто (рисунок 1.68, а). В этом случае алгоритм распознавания речевых команд основан на принципе перцептрона.

 

Лучшие из современных программ после предварительной настройки на голос пользователя распознают дискретную речь с ошибкой, не превышающей 5%. При распознавании слитной речи (рисунок 1.68, б) число ошибок примерно в 5 раз больше. При спонтанном диалоге ошибок распознавания примерно вдвое больше, чем при чтении текста. С увеличением объема словаря разбиение на слова становится сложнее, качество распознавания падает.

 

а)

 

б)

 

а - ограниченного словаря;

 

б – универсальное.

 

Рисунки 1.68 - Структуры устройств ввода речевых сообщений

 

Устройства вывода речевой информации – синтезаторы. Задача вывода речевой информации сводится к преобразованию машинных кодов, в колебания звуковых частот, составляющих речевой сигнал. Устройства вывода речевых сообщений при любой реализации аппаратно и программно проще, чем устройства ввода.

 

Синтезаторы речевых сообщений делятся на две группы: синтезаторы ограниченного словаря – компиляторы и универсальные.

 

Рисунок 1.69 - Структурная схема компилятора

 

 

^ Системы ввода-вывода речевой информации

 

Способы формирования речевого сигнала делятся на 2 группы:

 

- формирование по образцам (компилятивный синтез);

 

- синтез по правилам.

 

Формирование речевого сообщения по образцам.

 

Представляет собой восстановление аналогового сигнала, где выходные речевые сообщения (аналоговые сигналы) находятся в библиотеках-словарях. При необходимости вывести сообщение – производится поиск нужного сообщения в библиотеке и выводится через канал воспроизведения.

 

Системы формирования речевых сигналов по образцам различаются возможностями библиотек, качеством звучания восстановленной речи и сложностью аппаратной реализации.

 

Недостаток – медленный поиск нужного сообщения.

 

Достоинство – обеспечивает сравнительно хорошее качество речи.

 

Синтез речевых сообщения по правилам

 

Основано на расчленении речевого сигнала на отдельные фонетические составляющие. Что бы вывести речевые сообщения, необходимо иметь фонетическое описание произносимого слова, Фонетическое описание представляет собой последовательность элементов фонетического алфавита, включая паузы.

 

 

^

2 Блок питания ПЭВМ

 

 

Все современные блоки питания - импульсные (50 или 60 Гц).

 

Работа: сетевое напряжение поступает на выпрямитель, с выпрямителя идет на ключевую схему, которая преобразует его в последовательность импульсов частотой в несколько десятков кГц, с выхода ключевой схемы - на импульсный трансформатор, на выходе которого стоит преобразователь в постоянное напряжение. Стабилизация напряжения осуществляется путем управления скважностью импульсов. Схема защиты обычно блокирует генерацию импульсов. Использование более высокой частоты, чем в сети, снижает габариты трансформаторов и фильтров. Разделяются ИП на два типа АТ и АТХ. Они отличаются тем, что имеют различные разъемы, в AT нет схемы управления питанием, и он включается и выключается вручную. Все современные блоки питания двухтактные, то есть они имеют два ключевых транзистора в ключевой схеме.

 

Распайка основных разъемов питания и дополнительных жгутов для питания накопителей представлена на рисунке 2.1.

 

а) основные разьемы блока АТ;

 

б) основной разьем блока АТХ;

 

в) и г) разьемы питания накопителей.

 

Рисунок 2.1 - Разъемы жгутов блока питания

 

 

К блокам питания предъявляется следующие требований:

 

по уровню помех, передаваемых во вторичные цепи;

 

по стабильности питающих напряжений (при разбросе напряжений в сети и колебании токов нагрузки);

 

по температурной стабильности;

 

по электробезопасности;

 

по защите ПЭВМ от значительного повышения или понижения напряжения в первичной сети;

 

по уровню электромагнитного излучения;

 

по уровню обратных помех, генерируемых в питающую сеть.

 

Структурная схема блока питания с импульсным трансформатором представлена на рисунке 2.2.

 

Рисунок 2.2 – Структурная схема блока питания ПЭВМ

 

с импульсным трансформатором

 

 

Напряжение сети, после сетевого фильтра выпрямляется диодным мостиком и поступает на высокочастотный преобразователь. На выходе преобразователя формируются высокочастотные импульсы, поступающие на понижающий импульсный трансформатор, с обмоток которого снимаются номиналы напряжений, преобразуемые в постоянные напряжения на отдельных выпрямителях. Стабилизация выходных напряжений осуществляется за счет изменения ширины импульсов напряжения на выходе преобразователя: через усилитель обратной связи на формирователь поступает стабилизируемое напряжение, величина которого управляет шириной импульсов. Это, в свою очередь, увеличивает или уменьшает отдаваемый в нагрузку ток.

 

 

^ 3 Основные принципы организации ЭВМ

 

 

Состав устройств ПЭВМ, их основные связи и выполняемые функции определяет обобщенная структурная схема ЭВМ (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 – Обобщенная структурная схема ПЭВМ

 

 

Все связи между устройствами делятся на информационные и управляющие информационные связи.

 

^ 3.1 Принципы организации передачи информации

 

Для минимизации загрузки процессора при выполнении процессов ввода-вывода функции управления распределяются на несколько устройств: процессор, главный контроллер (канал) ввода-вывода, контроллер ПУ и блок управления ПУ.

 

Функциональная схема передачи информации в компьютере показана на рисункке 3.2.

 

Рисунок 3.2 - Функциональная схема организации передачи

 

информации в компьютере

 

 

Операцию ввода-вывода начинает процессор, выдавая в главный контроллер ввода-вывода соответствующую команду (2). Предварительно, с помощью слова состояния канала, процессор должен убедиться, что он готов к работе (1).

 

Канал приступает к управлению вводом-выводом с помощью специальной программы канала. После чего процессор отключается от процесса ввода-вывода и функции управления принимает на себя канал.

 

Канал, после анализа слова состояния (4) соответствующего контроллера о его готовности, передает ему управляющий приказ (команду канала) (6, 7) и может переходить к работе с контроллером другого ПУ. Далее контроллер ПУ управляет вводом-выводом, формирует и передает в блок управления ПУ необходимый управляющий код (сигнал) (8, 9), получив который ПУ преступает к процессу передачи данных (10).

 

^ 3.2 Система ввода-вывода

 

Задача системы ввода-вывода (СВВ) состоит в организации и управлении процессом передачи информации от периферийного устройства (ПУ) в оперативную память (ОП) машины при вводе и в обратном направлении при выводе (операции ввода-вывода).

 

Любое ПУ представляет собой генератор (или потребитель) данных (ГенД), который запускается в работу сигналами от управляющих компонентов СВВ и сообщает ей о своем состоянии сигналами «Состояние» (рисунок 3.3).

 

 

Рисунок 3.3 – Схема системы ввода-вывода

 

 

Основные функции СВВ:

 

- преобразование блоков (форматов) информации, принимаемых от ПУ при вводе, в форматы центрального процессора (ЦП) и ОП, обратное преобразование - при выводе;

 

определение места в ОП, где должен быть размещен сформированный машинный блок при вводе или откуда должен быть выбран при выводе, т.е. формирование текущего адреса ОП;

 

формирование управляющих сигналов для работы ПУ в различных режимах, задание типа выполняемой операции и т.д.;

 

получение и обработка сигналов, характеризующих состояние ПУ, возможность выполнения им каких либо действий;

 

получение приказов от ЦП на выполнение операций ввода-вывода, формирование сообщений о состоянии СВВ;

 

синхронизация процессов ЦУ и ПУ.

 

^ 3.3 Совмещение операций обработки ввода-вывода

 

Основные средства, позволяющие совместить операции ввода-вывода - прерывания и приостановки.

 

Прерывание - процесс переключения ЦП с одной программы на другую по внешнему сигналу с сохранением информации для последующего возобновления прерванной программы. Процесс прерывания показан на рисунке 3.4, где ПУ при возникновении события, требующего реакции со стороны ЦП, формирует сигнал, называемый запросом прерывания. Он может поступать в ЦП в произвольные моменты времени асинхронно по отношению к выполнению программы, поэтому запросы прерываний запоминаются на специальном регистре, называемый регистром запроса прерываний (РгЗП).

 

 

Рисунок 3.4 – Схема работы прерывания

 

Состояние РгЗП анализируется аппаратными или программными сред- ствами в определенные моменты выполнения программы (команды). После выполнения каждой команды схемы управления производят опрос состояния РгЗП и при наличии в нем единицы переходят к выполнению прерывания. Интервал времени ожидания между моментом поступления сигнала запроса прерывания в РгЗП и моментом начала обработки прерывания называют временем реакции на прерывание. Обработка прерывания включает в себя этапы запоминания состояния прерываемой программы и перехода к выполнению прерывающей программы (Тз – время запоминания состояния), собственно выполнения прерывающей программы (Тпп), восстановления состояния прерванной программы и возврата к ее выполнению (Тв). Интервалы Тз и Тв представляют собой накладные затраты, зависящие от способа реализации системы прерываний, которые в случае использования механизма прерываний для согласования моментов времени передачи данных между ЦП и ПУ могут снизить возможность параллельного выполнения операций обработки и ввода-вывода или сделать его невозможным.

 

Систему прерываний характеризуют способом опроса РгЗП, общим числом входов от внешних источников, числом уровней прерывания (по которым сгруппированы определенные источники), глубиной прерывания (максимальным числом программ, которые могут быть последовательно прерваны друг другом), системой приоритетов и организацией переходов к следующей программе.

 

Приостановка - процесс, при котором средства управления, работающие автономно от ЦП, задерживают работу на время цикла памяти Тц, при этом ОЗУ непосредственно занято приемом или выдачей информации для другого устройства. Во время приостановок текущее состояние процессора не меняется, но выполнение программы (команды) задерживается до освобождения ОЗУ. Процесс приостановки работы ЦП показан на рисунке 3.5.

 

 

Рисунок 3.5 – Схема работы приостановки

 

 

Если обращение процессора к ОЗУ произошло в момент времени t1, но ОЗУ занято выполнением записи-чтения данных от другого источника (например, от СВВ), то работа ЦП приостанавливается на время t до момента t2 освобождения ОЗУ. Приостановки используются при организации СВВ.

 

^ 3.4 Исключение простоев в работе ЦП

 

Однопрограммный режим работы. Это когда программы в ЦП выполняются последовательно и переход к следующей осуществляется только после завершения предыдущей (рисунок 3.6).

 

 

Рисунок 3.6 - Однопрограммный режим работы

 

 

Режим работы при опережающем вводе. При опережающем вводе вся информация, подлежащая вводу, разбивается на несколько порций. Вначале производится ввод первой порции, содержащей программу и данные, необходимые для начала операции обработки. Вторую порцию информации СВВ вводит при параллельно работающем ЦП. Если ввод второй информации завершается до окончания обработки первой порции, то ЦП простаивать не будет. Для такой организации вычислительного процесса необходимо, чтобы программа предвосхитила потребность в данных и начала их ввода заранее. При однопрограммном режиме работы вывод данных может быть организован параллельно с обработкой, начиная с момента их получения (рисунок 3.7).

 

 

Рисунок 3.7 - Режим работы с опережающем вводом

 

Мультипрограммный режим. Предполагает наличие в ОП нескольких независимых программ, принятых на обслуживание. Программы (или участки одной программы) можно считать независимыми, если каждая из них может быть выполнена без использования результатов обработки других программ. При мультипрограммном режиме обслуживания, т.е. обработка, ввод или вывод любой программы, может быть начато независимо от того, завершилась ли обработка других программ. Среди программ, принятых к обслуживанию и находящихся в ОП, могут быть программы готовые к обработке; некоторые программы могут требовать ввода данных, другие программы завершили обработку и ожидают операции вывода. Все программы (или их запросы) находятся в очередях к соответствующим устройствам: устройствам ввода (УВв), устройствам вывода (УВыв), ВЗУ, ЦП, переходя по мере выполнения соответствующих операций из одной очереди в другую. Пример ускорения за счет параллельного выполнения операций обработки ввода-вывода приведен на рисунке 3.8.

 

 

Рисунок 3.8 – Мультипрограммный режим работы

 

 

^ 3.5 Канал ввода-вывода

 

Канал ввода-вывода (КВВ) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для организации, управления обменом и непосредственной передачи данных между ОП и ПУ. Канал образует маршрут передачи данных между ОП и ПУ и осуществляет управление обменом, начиная от установления связи и кончая завершением передачи и разрушением установленной связи. Физическая реализация КВВ выполняется специальными аппаратными средствами (средствами интерфейса) в соответствии с правилами обмена сигналами.

 

^ Основные функции КВВ.

 

В первую группу входят функции по установлению логической связи между ПУ и УП, т.е. по образованию " канала" для передачи данных.

 

Вторая группа функций КВВ связана с передачей данных между ПУ и ОП и включает в себя:

 

определение текущего адреса ячейки памяти для записи или чтения;

 

преобразование форматов данных;

 

контроль передаваемых по " каналам" данных;

 

определение особых условий в процессе выполнения операций (завершение передачи информации и потребность в дополнительной управляющей информации, возникновения ошибки т.п.).

 

Третья группа функций связана с завершением обмена и разрушением " канала". Она включает в себя:

 

определение момента завершения обмена по сигналу от ЦП или ПУ;

 

определение причины завершения обмена, т.е. завершена ли передача всех данных или в процессе обмена обнаружена ошибка;

 

информирование ЦП об изменении состояния компонентов СВВ;

 

передача управляющей информации компонентам СВВ, посредством которой они переводятся в исходное состояние.

 

Если все функции управления обменом осуществляются средствами управления интерфейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называют программным.

 

Характеристики КВВ. Выделяют две характеристики:

 

нагрузочную способность Nмах, т.е. наибольшее число ПУ, которые может обслуживать КВВ, не вызывая потери информации и снижения скорости их работы;

 

номинальную пропускную способность Vквв, т.е. число байт данных, которые могут быть переданы посредством КВВ между ПУ и ОП за единицу времени при условии, что никакие другие устройства ВС не мешают выполнению функции КВВ.

 

Одним из важных параметров, характеризующих способность КВВ работать параллельно с ЦП, является коэффициент работоспособности программы, который показывает долю времени, затрачиваемого ЦП на программу обработки при параллельном выполнении операций в СВВ. Коэффициент работоспособности зависит от способа организации СВВ, числа параллельно работающих ПУ и быстродействия каждого из них.

 

^ Прямой доступ к памяти.

 

Для реализации прямого доступа к памяти в КВВ должны быть выделенные аппаратные средства, которые осуществяют буферизация и преобразование форматов данных; определение текущего адреса для передаваемого в память или из нее слова, определение момента завершения обмена.

 

Если функции КВВ выполняются специально выделенной аппаратурой, работающей под управлением собственной программы, то реализованный таким способом КВВ называют процессором ввода-вывода (ПВВ).

 

При прямом доступе к памяти ЦП и ПВВ могут иметь собственные регистры адресов РгА и данных РгД, как показано на рисунке 3.9.

 

 

Рисунок 3.9 – Прямой доступ к памяти с непосредственным обращением

 

Такую реализацию прямого доступа называют с непосредственным обращением к ОП. Приостановки при этом возникают только при одновременном обращении в ОП со стороны ЦП и ПВВ и их длительность не превышает цикла ОП (Тц).

 

Возможна реализация прямого доступа с косвенным обращением к ОП, рисунок 3.10. В этом случае приостановки ЦП возникают при любой передаче информации между ОП и ПВВ независимо от того, выполняется ли в ЦП команда с обращением или без обращения к памяти.

 

 

Рисунок 3.10 - Прямой доступ с косвенным обращением

 

 

^ 3.6 Посроения ПЭВМ на основе многомагистральной структуре

 

В больших компьютерах (IBM-360/370, ЕС ЭВМ), работающих в мультипрограммном режиме и имеющих мощный процессор, большой емкости ОЗУ и много разнообразных ПУ, используется многомагистральная структура с выделенными каналами ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ (рисунок 3.11).

 

Большие ЭВМ имеют иерархическую структуру, в которой выделяется четыре уровня устройств, причем каждый уровень находится в отношении подчинения более высокому уровню.

 

Рисунок 3.11 - Многомагистральная структура с выделенными каналами

 

ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ

 

На первом (верхнем) уровне располагаются центральный процессор и ОЗУ.

 

Устройства второго и третьего уровней – каналы ввода-вывода и устройства управления периферийными устройствами. Они предназначены для подключения периферийных устройств к центральным и управления вводом-выводом информации. КВВ делятся на мультиплексные (для подключения периферийных устройств с ограниченным быстродействием) и селекторные (для быстродействующих периферийных устройств) каналы.

 

Устройства третьего уровня, называемые контроллерами, производят управление работой периферийных устройств по командам и обеспечивают их стандартное сопряжение в соответствии с требованиями интерфейса ввода-вывода.

 

На четвертом уровне расположены периферийные устройства, являющиеся для ПЭВМ источниками и приемниками информации.

 

Устройства соседних уровней в иерархической структуре связаны между собой через стандартные сопряжения – интерфейсы.

 

 

^ 3.7 Посроения ПЭВМ на основе одномагистральной структуре

 

Магистральная структура характерна для машин классов мини-ЭВМ (DEC PDP-11, СM ЭВМ), в том числе и для персональных компьютеров.

 

Эти машины строилась по одномагистральной структуре с распределенным каналом ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ (рисунок 3.12). Функции управления вводом-выводом выполнял процессор. В качестве высокоскоростного канала применялся контроллер прямого доступа к памяти.

 

Все устройства объединяются в систему с помощью единого канала, называемого магистралью или системной шиной.

 

Рисунок 3.12 - Одномагистральной структуре с распределенным каналом

 

ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ

 

 

Взаимодействие устройств через общую шину производится на основе принципа задатчик-исполнитель. Выбор задатчика осуществляется схемой приоритета (арбитром) процессора.

 

 

^ 3.8 Магистрально-модульный принцип построения компьютера

 

Персональный компьютер (ПК) состоит из отдельных модулей, объединяемых посредством системной магистрали (шины). Такой принцип организации архитектуры называется магистрально-модульным.

 

Структурная схема современного IBM PC-совместимого компьютера приведена на рисунке 3.13. Ядром компьютера является процессор (CPU), один или несколько, ОЗУ (RAM), ПЗУ с BIOS (ROM BIOS) и интерфейсные средства, связывающие их между собой и с остальными компонентами. На рисунке изображены лишь логические связи между этими устройствами.

 

Рисунок 3.13 - Структурная схема компьютера

 

 

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие черты:

 

процессор, программно совместимый с семейством x86 фирмы Intel;

 

специфическая система распределения пространства адресов памяти;

 

Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) (рисунок 3.14).

 

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств.

 

Рисунок 3.14 - Архитектура персональных компьютеров

 

 

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

 

 

4 Интерфейсы

 

 

^ 4.1 Общие сведения о интерфейсах

 

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации различных функций.

 

^ Информационная совместимость – согласованность взаимодействия функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий.

 

Под электрической совместимостью понимается согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе соединительных линий интерфейса с учетом ограничений на пространственное размещение частей интерфейса и техническую реализацию приемопередающих блоков интерфейса.

 

^ Конструктивная совместимость – согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств.

 

В зависимости от требований унификации выделяют:

 

физическую реализацию интерфейса, т.е. состав и характеристики линий передачи, конструкцию средств их подключения (например, разъем), вид характеристики сигналов;

 

логическую реализацию интерфейса, т.е. протоколы взаимодействия, или алгоритмы формирования сигналов обмена.

 

Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

 

видом связи (дуплекс, полудуплекс и симплексный вид связи);

 

пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени;

 

максимальным допустимым расстоянием между устройствами;

 

задержками при организации передачи, которые вызваны необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами.

 

 

^ 4.2 Классификация интерфейсов

 

Классификационными признаками интерфейсов являются следующие признаки.

 

Способ соединения компонентов системы:

 

магистральный;

 

радиальный;

 

цепочечный;

 

смешанный.

 

Способ передачи информации:

 

параллельный;

 

последовательный;

 

параллельно-последовательный.

 

Принцип обмена:

 

синхронный;

 

асинхронный.

 

Режим передачи информации:

 

односторонняя передача;

 

двусторонняя поочередная передача;

 

двусторонняя одновременная передача.

 

Приведем также классификацию интерфейсов по признакам функционального назначения, согласно которым можно выделить следующие группы интерфейсов:

 

системные интерфейсы (предназначены для организации связи между основными компонентами компьютеров и контроллеров);

 

интерфейсы периферийного оборудования (выполняют функции сопряжения с периферийным оборудованием, бывают магистральные и радиальные);

 

интерфейсы локальных и глобальных вычислительных систем.

 

На рисунке 4.1 показана классификация интерфейсов.

 

Рисунок 4.1 - Классификация интерфейсов

 

 

^ 4.3 Организация интерфейсов

 

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединения устройств и использования линий.

 

Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельно-последовательной форме.

 

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линии, 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.

 

В параллельном интерфейсе передача сообщения выполняется последовательными блоками, содержащими m бит.

 

Каждый блок передается одновременно по m линиям; величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту.

 

Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых m=8 или m=16.

 

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 (рисунок 4.2). Это означает, что одновременно выданные передатчиком ПРД сигналы на Л1-Лm воспринимаются приемником ПРМ не одновременно. Такое явление называется перекосом информации.

 

Приемник может воспринять любую кодовую комбинацию, отличную от комбинации, передаваемой устройством ПРД. Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней, соответствующий завершению установления на входах ПРМ состояния. При этом необходимо передать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л1-Лm.

 

 

Рисунок 4.2 – Схема параллельного интерфейса

 

 

^ 4.4 Принципы реализации интерфейса

 

В совокупности соединительных линий интерфейса можно условно выделить две группы:

 

информационный канал;

 

магистраль управления информационным каналом.

 

Основные функции интерфейса:

 

арбитраж информационного канала;

 

синхронизация обмена информацией;

 

обмен и преобразование формы представления информации;

 

буферное хранение информации (буферирование может быть, а может и не быть).

 

 

4.4.1 Арбитраж информационного канала

 

Арбитраж (селекция) информационного канала обеспечивает выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы посредством приоритетного разрешения внутриорганизационных конфликтов.

 

Виды арбитража:

 

централизованный;

 

децентрализованный.

 

Синхронизация обмена информацией может быть двух видов:

 

синхронный обмен;

 

асинхронный обмен.

 

Синхронный обмен используется для обмена данными между устройствами, имеющими равные скоростные характеристики (“источник” не волнует, получил ли «приемник” информацию после того, как “источник” ее передал.)

 

При асинхронном обмене приемное устройство запрашивает данные по одной линии (Запрос данных - ЗпД) и извещается о наличии данных со стороны передающего устройства по другой линии (Строб). Таким образом, реализация асинхронного обмена основана на принципе обратной связи, которая может быть однопроводной и двухпроводной.

 

Для реализации синхронного режима передачи при последовательном интерфейсе передатчик ПРД в начале сообщения передаст заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN. Переход линии интерфейса из состояния " 0" в состояние " 1" используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике. Приемник ПРМ распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает очередной символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс показан на рисунке 4.3.

 

Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые обладают высокой стабильностью частоты. При нарушении синхронизации передатчик должен вставить в последовательность передаваемых байт сообщения дополнительные символы SYN. Если при последовательной передачи используется дополнительные линии интерфейса, то синхронная передача передатчика и приемника поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми по линиям управления от передатчика к приемнику.

 

 

Рисунок 4.3 – Синхронный режим передачи

 

 

Аналогично с помощью сигнала синхронизации реализуется синхронная передача в параллельном интерфейсе. В качестве сигнала синхронизации используется стробирующий сигнал. Очередной блок информации передается только после того, как предыдущий блок принят, зафиксирован и распознан в приемнике, т.е. по прошествии определенного временного интервала. Если передача сообщений через интерфейс производится между передатчиком ПРД и одним из нескольких приемников ПРМ, то интервал синхронизации устанавливается в расчете на наиболее медленный приемник.

 

Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передачи каждого блока информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт " обрамляется" стартовыми и стоповыми сигналами, как показано на рисунке 4.4.

 

 

S - Стартовые биты

 

Strop.bit - Строповые биты

 

Рисунок 4.4 – Асинхронный режим передачи

 

 

Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и служит для запуска генератора приемнике, стоповой сигнал переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале одного байта.

 

 

4.4.2 Организация линий интерфейса

 

Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двух точечная система) или общий для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют схему управления интерфейсом (арбитр).

 

В общем случае могут быть реализованы следующие виды обмена:

 

передача от одного устройства только одному другому;

 

от одного устройства всем другим (трансляционный обмен);

 

от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).

 

Организация интерфейса должна предоставлять возможность устройству:

 

- занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения (процесс предоставления среды интерфейса одному устройству называется арбитражем и выполняется схемами арбитра);

 

- обращаться к другому устройству по его адресу (этот процесс называют адресацией);

 

- идентифицировать устройство, инициирующее обмен (этот процесс неразрывно связан с процедурой арбитража и его основной является последовательный опрос устройств).

 

 

4.4.3 Радиальный интерфейс

 

Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством индивидуальных линий, принадлежащих каждому из них (рисунок 4.5). Управление интерфейсом находится в устройстве Уц. При необходимости передать или получить блок информации от Уi по инициативе центрального устройства, на регистр РгА заноситься в адрес устройства Уi и в соответствии с ним переключатель соединяет линии Лц с линиями Лi. При этом, устройства Лц и Уi соединяются между собой, а все остальные устройства отключаются и в обмене участия не принимают.

 

 

Рисунок 4.5 – Схема радиального интерфейса

 

 

Если инициатива обмена исходит от периферийного устройства Уi, то оно передает сигнал по своей линии запроса, который поступает в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство управления (УУ) интерфейсом последовательно опрашивает разряды регистра РгЗ и посредством переключателя К соединяет линии Лц с соответствующими линями Лi устройства Уi. Порядок опроса разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Уi.

 

 

4.4.4 Магистральный интерфейс

 

Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством единой магистрали, используемой на основе разделе-ния времени (рисунок 4.6).

 

 

Рисунок 4.6 - Схема магистрального интерфейса

 

 

Сигнал на любой линии магистрали физически доступен каждому устройству, поэтому для организации обмена между устройством Уц и одним из подчиненных устройств необходимо логически отключить все остальные. Всем устройствам Уi, подключенным к магистрали, присвоены адреса (номера), которые фиксируются в виде своего адреса на специальных регистрах, размещенных на всех Уi. Адреса устройств одной магистрали не повторяются, запись адреса в регистр устройства производится в ручную при подключении его к магистрали.

 

Если обмен производится по инициативе Уц, то оно производит цикл адресации, заключающийся в передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали. Адрес поступает во все устройства Уi, где производится сравнение переданного адреса с собственным адресом. Совпадение собственного и запрашиваемого адреса произойдет в одном устройстве. При этом устройство Уi устанавливает сигнал готовности к приему информации от Уц или запрашиваемую информацию для Уц на линии магистрали.

 

Если обмен в интерфейсе производится по инициативе подчиненного устройства Уi, то вначале исключается возможность использования магистрали любым другим устройством. С этой целью в магистрали предусматривают специальную линию запросов (линия ТРБ), на которую любое устройство Уi независимо от других может выставлять сигнал запроса (или требования ТРБ). Сигнал запроса означает для Уц, что на магистрали имеется одно или несколько устройств Уi, запрашиваемых обмен. Обнаружив сигнал запроса (эту функцию выполняет схема анализа ТРБ), устройство Уц должно дать разрешение на занятие магистрали только одному из запрашивающих устройств Уi для выполнения передачи данных. Для этого проводится опрос устройств Уi, т.е. устройство Уц последовательно осуществляет адресацию всех Уi до тех пор, пока не получит подтверждения запроса. Подтверждение запроса может быть передано любым способом, например по информационной шине, так как в процессе опроса при последовательном переборе адресов каждое из устройств Уi получает разрешение на занятие магистрали. Так, при совпадении собственного и запрашиваемого адресов устройство Уi может выставить на информационную шину свой адрес, подтвердив совпадение, или какой либо код, означающий несовпадение; кроме того, может быть выделена специальная линия для передачи сигналов подтверждения. Устройство Уц, получив подтверждение от Уi, прекращает дальнейшее формирование адресов, т.е. приостанавливает опрос, а устройство Уi, которое в процессе опроса опознало свой адрес и подтвердило совпадение адресов, логически подключается к магистрали для передачи данных.

 

При магистральном способе подключения управление интерфейсом распределено между центральным устройством Уц, которое содержит схему анализа запросов и средства формирования последовательностей адресов, и подчиненными У1, ... Уn устройствами, которые содержат регистр собственного адреса, схему совпадения адресов и схему запроса обмена.

 

 

4.4.5 Цепочный интерфейс

 

При цепочном интерфейсе подчиненные устройства Уц,..., Уn подключается к центральному последовательно, образуя цепочку (рисунок 4.7). В такой цепочке всем устройствам У1,..., Уn присваиваются неповторяющиеся адреса.

 

 

Рисунок 4.7 – Схема цепочного интерфейса

 

 

Если обмен инициируется устройством Уц, адрес запрашиваемого устройства (Уi) передается на линии Л1 и попадает в устройство У1. Запрашиваемый адрес в устройстве У1 сравнивается с собственным адресом У1. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет линии Л1 с линиями Л2. Таким образом адрес запрашиваемого устройства попадает в У2 и процедура повторяется. Если значения адресов совпали, то коммутатор К остается в разомкнутом состоянии, а устройство, опознавшее свой адрес, логически подключается к Уц. При цепочной схеме подключения устройств процедура адресации выполняется последовательно.

 

Пусть обмен инициируется одним из устройств У1,..., Уn, например, У2. При этом устройство отключает посредством коммутатора К все устройства более низкого приоритета (У3,..., Уn), т.е.размыкает линии Л3. Затем устройство У2 передает свой адрес по линии Л2. Этот адрес либо передается устройством У1 на линии Л1, если У1 не ведет обмена, для чего коммутатор К в У1 подключает линии Л2 к линиям Л1, либо блокируется, если устройство У1т ведет обмен с Уц. Процедура опроса не требует последовательного перебора адресов У1,..., Уn, что значительно ее ускоряет.

 

 

4.4.6 Комбинированные интерфейсы

 

В комбинированных интерфейсах используется магистральный принцип параллельной передачи информации, а для ускорения идентификации устройств используются управляющие линии, соединяющие устройства по радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному (магистрально-цепочный интерфейс) принципу.

 

 

Рисунок 4.8 – Схема магистрально-цепочного интерфейса

 

 

Магистрально-цепочная структура является наиболее распространенной в аппаратных интерфейсах СВВ. Все виды информации передаются по общей магистрали, адресация выполнятся так же, как и в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У1,..., Уn по цепочному принципу (рисунок 5.11). Магистрально-цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированными и произвольно выбираемым устройством либо между двумя произвольными устройствами.

 

Устройство, запрашивающее обмен, называют ведущим (или задатчиком ЗДТ), а второе устройство, участвующее в обмене, - ведомым (или исполнителем ИСП). Разрешение конфликтов выполняет арбитр (АРБ). Схема арбитра может быть сосредоточенной и распределенной. В первом случае цепочная линия интерфейса служит для передачи сигнала разрешения (выборки ВБР) от арбитра всем устройствам, которые могут инициировать обмен. Для согласования работы арбитра и устройств предусматривается линии запроса (ТРБ) и указания занятости магистрали (ЗАН).

 

Если инициируется обмен со стороны устройств У1,..., Уn, то каждое из них может выставлять сигнал запроса на линию ТРБ. Получив этот сигнал, устройство Уц с целью селекции запрашивающего устройства начинает процедуру опроса, т.е.выдает сигнал на линию ТРБ. Сигнал ТРБ поступает на устройства У1. В случае, если обмен инициирован устройством У1, т.е. сигнал ТРБ сформирован в У1, линии магистрали посредством коммутатора К подключается к У1, устройство формирует сигнал ЗАН, а сигнал ТРБ на следующее устройство У2 не передает. Если сигнал ТРБ был сформирован каким-либо другим устройством, то устройство У1 передает сигнал ТРБ по цепочной линии на устройство У2, где производится такой же анализ. Таким образом, последовательный анализ наличия запроса на обмен в каждом из устройств У1,..., Уn позволяет выделить одно из них, обладающее наибольшим приоритетом среди всех устройств, инициирующих обмен. Для своей идентификации устройство Уi в начале сообщения передает свой адрес.

 

5 Системные интерфейсы

 

 

^ 5.1 Характеристика внутримашинного системного интерфейса

 

Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой - представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

 

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:

 

многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых ПК.

 

односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

 

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина.

 

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

 

шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

 

локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

 

Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в таблице 5.1.

 

Таблица 5.1 - Основные характеристики шин

 

Параметр

 

ISA

 

EISA

 

MCA

 

VLB

 

PCI

 

Разрядность шины, бит

 

Данных

 

Адреса

 

 

16

 

24

 

 

32

 

32

 

 

32; 64

 

32

 

 

32; 64

 

32

 

 

32; 64

 

32

 

Рабочая частота, МГц

 

8

 

8-33

 

10-20

 

до 33

 

до 33

 

Пропускная способность,

 

Мбайт/с

 

теоретическая

 

практическая

 

4

 

2

 

33

 

8

 

76

 

20

 

132

 

80

 

132; 264

 

50; 100

 

Число подключаемых

 

устройств, шт.

 

6

 

15

 

15

 

4

 

10

 

 

5.1.1 Шины расширений

 

Шина Multibus1 имеет две модификации: PC/XT bus (Persona) Computer eXtended Technology - ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией).

 

Шина PC/XT bus - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4, 77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA - Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086, 8088.

 

^ Шина PC/AT bus -16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA.

 

Шине ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен). Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, реально около 4-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования.

 

Шина EISA (Extended ISA) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса. Пропускная способность 33 Мбайт/с (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10).

 

Шина МСА (Micro Channel Architecture) -32-разрядная шина для машин PS/2. Пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц.

 

 

^ 5.2 Локальные шины VLB и PCI

 

Два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и PCI:

 

1. Шина VLB (VESA Local Bus -локальная шина VESA) - называют шиной VESA. Разрядность шины - 32 бита (возможен 64-разрядный вариант). Реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с (теоретически достижимая -132 Мбайт/с).

 

Недостатки шины:

 

рассчитана на работу с МП 80386, 80486, не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;

 

жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

 

малое количество подключаемых устройств - к шине VLB (только четыре устройства);

 

отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

 

2. Шина PCI. (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств). Шина PCI является более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП, она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой " арбитраж", средства управления передачей данных.

 

Разрядность PCI - 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, при частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте -263 Мбайт/с (реальная вдвое ниже).

 

Варианты конфигурации систем с шинами VLB и PCI показаны на рисунке 5.1 и рисунке 5.2 соответсвенно. Использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы.

 

Рисунок 5.1 - Конфигурация системы с шиной VLB

 

Рисунок 5.2 - Конфигурация системы с шиной PCI

 

 

Для подключения шины PCI к другим шинам применяются аппаратные средства - мосты шины PCI (PCI Bridge).

 

Основные возможности шины следующие:

 

Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. При этом для уменьшения числа контактов используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.

 

Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей (cуществуют универсальные платы, поддерживающие оба напряжения, но частота 66MHz поддерживается только 3.3V логикой).

 

Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

 

132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;

 

264 MB/сек при 32-bit/66MHz;

 

264 MB/сек при 64-bit/33MHz;

 

528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.

 

Для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.

 

Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).

 

Поддержка write-back и write-through кэша.

 

Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.

 

Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).

 

Шина позволяет устанавливать до 5 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.

 

PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину.

 

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый метод линейных пакетов. Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) в непрерывное пространство памяти, то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.

 

Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода) и " конфигурационное пространство".

 

Интерфейс PCI Express (3GIO).

 

Аббревиатура 3GIO расшифровывается как «3-е поколение шины ввода-вывода» (Third Generation Input/Output Interconnection).

 

Масштабируемость производительности достигается через повышение частоты и добавление линий к шине. PCI Express призвана обеспечить высокую пропускную способность с низким количеством служебной информации и низкими задержками. Поддерживаются несколько виртуальных каналов на один физический.

 

Система адресации полностью совместима со спецификацией PCI, что позволяет подключать устройства PCI к новой шине.

 

Спецификация интерфейса PCI Express предусматривает несколько уровней взаимодействия и протоколов:

 

физический;

 

данных (Data Link);

 

транзакций (транспортный);

 

приложений и драйверов;

 

конфигурационный.

 

Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные дифференциальные линии связи, по одной паре для передачи и приема данных.

 

Теоретически полоса пропускания самого узкого канала достигает 2, 5 Гбит/с в каждом направлении.

 

Система адресации и команд включает три стандартных поля, совместимых с интерфейсом РСI (область памяти, адрес ввода-вывода, инициализации и конфигурирования), а также дополнительное поле сообщений (Message).

 

 

^ 5.3 Интерфейсная шина AGP

 

Выделенная для потока видеоданных интерфейсную шину - AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) (рисунок 5.3).

 

Рисунок 5.3– Структурная схема графического ускрителя с AGP

 

 

Преимуществом новой шины стала ее высокая пропускная способность. Если шина ISA позволяла передавать до 5, 5 Мбайт/с, VLB -до 130 Мбайт/с (однако при этом чрезмерно загружала центральный процессор), а PCI до 133 Мбайт/с, то шина AGP теоретически имеет пиковую пропускную способность до 2132 Мбайт/с (в режиме передачи 32-разрядных слов).

 

Интерфейс AGP обеспечивает прямое соединение между графической подсистемой и оперативной памятью. Шина AGP соединяет графическую подсистему с контроллером системной памяти, разделяя доступ с центральным процессором компьютера. Через AGP возможно подключение графических плат.

 

Основными особенности AGP, влияющими на производительность:

 

шина способна передавать два (AGP2x), четыре (AGP4x) или восемь (AGP8x) блоков данных за один цикл;

 

устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления материнских плат адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

 

конвейеризация операций чтения-записи позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

 

Шина AGP работает в двух основных режимах: DIME (Direct Memory Execute) и DMA (Direct Memory Access). В режиме DMA основной памятью считается память на карте. Текстуры могут храниться в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память видеокарты. Обмен ведется большими последовательными пакетами данных.

 

В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной памяти.

 

Шина AGP поддерживает все стандартные операции шины PCI, поэтому поток данных по ней можно представить как смесь чередующихся AGP и РСI-операций чтения/записи.

 

Новая спецификация — AGP Pro. Основное отличие этого интерфейса заключается в возможности управления энергопитанием. С этой целью в разъем AGP Pro добавлены новые линии.

 

Интерфейс AGP Pro предназначен для графических станций. Двукратное увеличение пропускной способности достигнуто за счет повышения тактовой частоты шины до 66 МГц и применения нового уровня сигналов 0, 8 В (в AGP 2.0 использовался уровень 1, 5 В). Тем самым при сохранении основных параметров интерфейса повышена пропускная способность шины до 2132 Мбайт/с.

 

Повышенная пропускная способность порта AGP обеспечивается следующими тремя факторами:

 

конвейеризацией операций обращения к памяти;

 

сдвоенными передачами данных;

 

демультиплексированием шин адреса и данных.

 

 

^ 5.4 Интерфейс SCSI

 

 

Системный интерфейс малых компьютеров SCSI (Small Computer System Interface) был стандартизован ANSI в 1986 году. Интерфейс предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров. Устройством SCSI - SCSI Device - называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера. К одному контроллеру может подключаться несколько периферийных устройств, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним.

 

По физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Шина допускает подключение до 8 устройств, скорость передачи данных в первоначальной версии достигала 5 Мбайт/с.

 

Спецификация - SCSI-2, расширяющая возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide SCSI-2 (широкий), а 8-битную версию назвали Narrow (узкий). 16-битная шина позволяет увеличивать число устройств до 16. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса. Комбинации тактовой частоты и разрядности обеспечивают широкий диапазон пропускной способности, достигающей 40 Мбайт/с для реальной версии Ultra Wide SCSI-2.

 

Спецификация - SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса.

 

Для параллельных шин скорость передачи данных определяется частотой передач, измеряемой в миллионах передач за секунду - MT/sec (Mega Transfer/sec) и разрядностью.

 

Скорость передачи данных для различных вариантов параллельной шины приведена в таблице 5.2.

 

 

Таблица 5.2 - Скорость передачи данных по параллельной шине SCSI

 

Разрядность

 

Разновидностьт

 

Шины, бит

 

Обычный

 

Fast

 

Fast-20 (Ultra)

 

Fast-40 (Ultra2)

 

8 (narrow)

 

5 Мбайт/с

 

10 Мбайт/с

 

20 Мбайт/с

 

40 Мбайт/с

 

16 (wide)

 

10 Мбайт/с

 

20 Мбайт/с

 

40 Мбайт/с

 

80 Мбайт/с

 

32 (wide)*

 

20 Мбайт/с

 

40 Мбайт/с

 

80 Мбайт/с

 

160 Мбайт/с

 

*реализации не встечаются

 

Последовательный интерфейс FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop - арбитражное кольцо волоконного канала) по реализации ближе к интерфейсам локальных сетей. Этот интерфейс, известный также и как Fibre Channel SCSI, может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 800 МГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический - до 10 км. Здесь имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Двухпортовые устройства могут достигать пиковой скорости обмена до 200 Мбайт/с.

 

 

5.4.1 Физический интерфейс

 

Физически 8-битный интерфейс SCSI представляет собой шину, состоящую из 25 сигнальных цепей. Для обеспечения помехозащищенности каждая сигнальная цепь имеет свой отдельный обратный провод.

 

Каждое устройство SCSI, подключенное к шине, должно иметь свой адрес, назначаемый при конфигурировании. Для 8-битной шины диапазон значений адреса 0-7, для 16-битной - 0-15. Адрес задается предварительной установкой переключателей или джамперов, для хост-адаптера возможно и программное конфигурирование.

 

 

^ 5.5 Интерфейс HyperTransport

 

Высокоскоростная шина ввода-вывода HyperTransport (HT) предназначена для использования в компьютерных системах, прежде всего в качестве внутренней локальной шины. В сравнении с шиной PCI интерфейс HyperTransport позволяет снизить число проводников на системной плате, устранить задержки, связанные с монополизацией шины устройствами с низкой производительностью, уменьшить энергопотребление и повысить пропускную способность.

 

Шина HyperTransport организована на различных уровнях:

 

на физическом уровне шина представлена линиями данных,

управления, тактовыми, а также контроллерами и стандартными электрическими сигналами;

 

на уровне передачи данных определяется порядок инициализации и конфигурирования устройств, установления и прекращения сеанса связи, циклического контроля адекватности данных, выделения пакетов для передачи данных;

 

на уровне протокола определены команды выделения виртуальных каналов связи, правила управления потоком данных;

 

на уровне транзакций команды протокола конкретизированы в управляющие сигналы, например чтения или записи;

 

на уровне сессии определены правила управления энергопотреблением и прочие команды общего характера.

 

Физические устройства в рамках интерфейса HyperTransport подразделяются на несколько типов:

 

cave («пещера») - оконечное устройство на двунаправленном канале связи;

 

tunnel («туннель») - устройство на двунаправленном канале связи, установленное «на проходе» (но не мост);

 

bridge («мост») - устройство на двунаправленных каналах связи, один из которых считается главным и связывает устройство с контроллером шины (Host), а другие соединяют с прочими устройствами.

 

В минимальной конфигурации (ширина канала 2 бит, на каждый бит требуется две физические линии) потребуется 24 контакта (8 для данных + 4 для тактовых сигналов + 4 для линий управления + 2 сигнальных + 4 заземления + 1 питания + 1 сброса), в максимальной конфигурации (ширина канала 32 бит) речь идет уже о 197 выводах. Для сравнения укажем, что спецификация PCI 2.1 предусматривает 84 вывода, a PCI-X - 150 выводов.

 

Физически технология HyperTransport основыванется на улучшенной версии низковольтных дифференциальных сигналов. Для всех линий (данных, управления, тактовых) используются шины с дифференциальным сопротивлением 100 Ом. Уровень сигнала составляет 1, 2 В (в отличие от 2, 5 В, установленных спецификацией IEEE LVDS). Благодаря этому длина шины может достигать 24 дюйма (около 61 см) при полосе пропускания на одной линии до 800 Мбит/с. Спецификация HyperTransport предусматривает разделение «восходящих» (Upstream) и «нисходящих» (Downstream) потоков данных (асинхронность). Пакет, объединяющий адреса, команды и данные, всегда кратен 32 бит. Поэтому обеспечивается его безошибочная передача по масштабируемым каналам шириной от 2 до 32 бит. Пиковая пропускная способность соединения Hyper Transport достигает 12, 8 Гбайт/с (по 6, 4 Гбайт/с на нисходящий и восходящий каналы шириной 32 бит при частоте 800 МГц и передаче данных по фронту и спаду сигнала). Для сравнения укажем, что пиковая пропускная способность системной шины (200 МГц) процессора AMD Athlon составляет 2, 128 Гбайт/с. Особенностью технологии HyperTransport является совместимость с устройствами PCI на уровне протоколов.

 

 

^ 5.6 Интерфейс USB

 

Шина USB (Universal Serial Bus– универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры персональных компьютеров (РС).

 

Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. В настоящее время опубликована версия 2.0.

 

Архитектура USB определяется критериями:

 

легко реализуемое расширение периферии РС;

 

дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с (версия 1.0) и до 480 Мбит/с (версия 2.0);

 

полная поддержка в реальном времени передачи аудио- и видеоданных;

 

гибкость протокола смешанной передачи, изохронных данных и асинхронных сообщений;

 

интеграция с выпускаемыми устройствами;

 

доступность в РС всех конфигураций и размеров;

 

создание новых классов устройств, расширяющих РС;

 

простота кабельной системы и подключений;

 

скрытие подробностей подключения от конечного пользователя;

 

самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование;

 

возможность динамического подключения ПУ и конфигурирования.

 

С середины 1996 года выпускаются РС со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом.

 

Таблица 5.3 - Схема цоколевки

 

Вилка тип А (устанавливается на кабеле)

 

Розетка тип А (устанавливается на корпусе компьютера)

 

Вилка тип

 

В (устана-

 

вливается

 

на кабеле)

 

Розетка тип В (устанавливается на корпусе периферийного устройства)

 

Таблица 5.4 - Названия и функциональные назначения выводов

 

№ вывода

 

Обозначение

 

Описание

 

1

 

V BUS

 

Питание, +5 В

 

2

 

D-

 

Data (передача данных)

 

3

 

D+

 

Data (передача данных)

 

4

 

GND

 

Ground (корпус)

 

^ Архитектура интерфейса USB.

 

Топология интерфейса USB представляет собой звезду или пирамиду.

 

Рисунок 5.4 - Топология шины USB

 

 

В вершине этой пирамиды, в корневом узле, находится хост-устройство, а все остальные узлы являются функциональными устройствами (функциями) или соединителями (хабами).

 

Система USB состоит из трех основных частей:

 

USB хост-устройство;

 

USB разветвитель (хаб);

 

USB устройство (функция).

 

USB хост-устройство (устройство – хозяин интерфейса) – это главное устройство в любой USB системе, которое организует все передачи данных и команд по шине интерфейса.

 

Интерфейс USB в компьютерной системе множественного доступа реализуется хост-контроллером, который является комбинацией аппаратных средств и программного обеспечения.

 

Хост-контроллер находится в корневом узле главной системы (на материнской плате) компьютера, и обеспечивает, как правило, две точки присоединения.

 

Структура USB

 

Шина USB позволяет:

 

подключать;

 

конфигурировать;

 

использовать;

 

отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

 

Перечень терминов, используемых в спецификации USB. Устройства (Device) USB могут являться:

 

хабами (соединителями);

 

функциями;

 

их комбинацией.

^

Модель передачи данных.

 

Система USB разделяется на 3 уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит:

 

интерфейсную часть;

 

логическую часть устройства;

 

функциональную часть.

 

Адаптеры USB.

 

Существу­ют следующие типы таких адаптеров:

 

USB-параллельный порт (принтер);

 

USB-последовательный порт;

 

USB-SCSI;

 

USB-Ethernet;

 

USB-клавиатура/мышь;

 

USB-TV/video.

 

Если необходимо использовать несколько различных уст­ройств, то используют специальный концентратор USB, которые содержат пор­ты различных типов. Такие концентраторы называют многофункциональными концен­траторами USB, репликаторами USB-портов или установочными станциями USB.

 

 

^ 5.7 Интерфейс IEEE1394

 

Высокоскоростной интерфейс – FireWire – разработан фирмой Apple для своих персональных компьютерах. Переименованный затем комитетом стандартизации Института инженеров электротехники и электроники в интерфейс IEEE_1394. В 1995 году была опубликована рассмотренная ниже первая версия стандарта IEEE 1594.

 

Тактовая частота шины стандарта IEEE1394 может быть 98, 304, 196, 608 и 393, 216 Мбит/с, что соответствует номиналам 100, 200 и 400 Мбит/с. Подключаемое к шине устройство может иметь любую максимальную скорость из этого набора, но обязано поддерживать и более низкие скорости.

 

Спецификация интерфейса IEEE1394 предусматривает последовательную передачу данных со скоростями 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (последние два значения являются не стандартизированными расширениями). Выбор последовательного интерфейса обусловлен необходимостью связать удаленные внешние устройства, работающие с различными скоростями.

 

Топология интерфейса «древовидная», при этом система адресации обеспечивает подключение до 63 устройств в одной сети. Для связи между сетями существуют мосты, для объединения ветвей в один узел - концентраторы. Повторители служат для усиления сигналов при длине соединения более 4, 5 метров. Всего может быть связано до 1024 сетей по 63 устройства в каждой. Все устройства IEEE1394 соединяются между собой шестижильным экранированным кабелем, имеющим две пары сигнальных и пару питающих проводников. Подключение осуществляется с помощью стандартной пары «вилка - розетка». Провода питания рассчитаны на ток до 1, 5 А при напряжении до 40 В. Если устройство имеет собственное питание, применяется гальваническая развязка.

 

Таблица 5.5 - Схема цоколевки

 

Розетка (устанавливается на корпусе компьютера или периферийного устройства)

 

№ вывода

 

Обозначение

 

Описание

 

1

 

Power

 

Питание

 

2

 

Ground

 

Корпус

 

3

 

TRB-

 

Витая пара В, -

 

4

 

TRB+

 

Витая пара В, +

 

5

 

TPA-

 

Витая пара А, -

 

6

 

TPA+

 

Витая пара А, -

 

^ Технические характеристики 1394b.

 

Спецификация IEEE-1394b является вторым поколением стандарта 1394. Первые устройст­ва, соответствующие стандарту IEEE-1394b (высокопроизводительные внешние накопители на жестких дисках), были представлены в январе 2003 года. В этом стандарте определены два но­вых 9-жильных кабеля и соответствующие 9-контактные разъемы, обеспечивающие передачу данных по медному или волоконно-оптическому кабелю со скоростью 800–3200 Мбит/с. Кроме в стандарт 1394b включены другие новые возможности, позволяющие еще больше увели­чить скорость передачи данных.

 

 

^ 5.8 Интерфейс I2C

 

Интерфейс последовательной шины I2C (Inter IС Bus - шина соединения микросхем) сопряжения микросхем бытовой электроники.

 

Шина I2C удобна для обмена небольшими объемами данных. В ряде современных системных плат присутствует шина SMBus, основанная на интерфейсе I2C. Эта шина используется для доступа к памяти идентификаторов и средствам термоконтроля процессоров Xeon.

 

По интерфейсу I2C современные мониторы обмениваются конфигурационной и управляющей ин­формацией с графическим адаптером (а через него и с центральным процессором). I2C может применяется для подключения считывателей карт, штрих-кодов и т. п. С по­мощью интерфейса I2C можно загружать программы в энергонезависимую память (флэш) ряда микроконтроллеров. Интерфейс I2C обеспечи­вает скорость передачи данных до 3, 4 Мбит/с.

 

Интерфейс I2C — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами по двум сигнальным линиям. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Пере­дача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широко­вещательной. Для выборки устройств используется 7-битная или 10-битной адре­сация. Уровни сигналов — стандартные, совместимые с широко распро­страненной логикой ТТЛ, КМОП, n-МОП, как с традиционным питанием +5 В так и с низковольтным (+3, 3 В и ниже).

 

Последовательный интерфейс I2C обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя 2 сигнала:

 

данные SDA (Serial Data);

 

синхронизацию SCL (Serial Clock).

 

В обмене участвуют 2 устройства:

 

ведущее (Master);

 

ведомое (Slave).

 

 

^ 5.9 Последовательные интерфейсы

 

Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Последовательная передача данных может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.

 

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/сек. Количество бит данных может составлять 5, 6, 7, 8 бит. Количество стоп битов может быть 1, 1.5, 2 бита. Асинхронный в РС реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C.

 

Из синхронных адаптеров в настоящее время чаще всего применяются адаптеры интерфейса V.35.

 

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. Стандарт описывает синхронный и асинхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

 

Префикс " RS" -рекомендованный стандарт.

 

5.9.1 Интерфейс RS-232

 

Интерфейс RS-232C использует несимметричные приемники и передатчики, сигнал передается относительно общего провода (схемной земли). Интерфейс RS-232C не обеспечивает гальванической развязки устройств. В интерфейсе RS-232С оговариваются следующие электрические параметры.

 

Выходные сигналы:

 

0 задается диапазоном напряжения со стороны источника (+5  +15)В;

 

неопределенное состояние – диапазон напряжения (+5  -5)В;

 

1 задается диапазоном напряжения (-5  -15)В.

 

Входные сигналы:

 

0 задается диапазоном напряжения со стороны приемника (+3  +25)В;

 

неопределенное состояние – диапазон напряжения (+3  -3)В;

 

1 задается диапазоном напряжения (-3  -25)В.

 

Логической единице на входе приемника соответствует уровень напряжения -3... -12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называют " ON", а для линий последовательных данных - " MARK". Логическому " 0" соответствует напряжение +3... +12 В (называемое " OFF" или " SPACE", соответственно). Между уровнями +3... -3 В существует зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Состояние на выходе приемника изменяется только при пересечении напряжением порога +3 или -3 В.

 

Разъем и кабель порта RS232.

 

Стандартный последовательный порт имеет 9- контактный разъем. На рисунке 5.5 приведены назначения контактов этих разъемов.

 

 

Рисунок 5.5 - Блочная часть 9-контактного штыревого разъема

 

 

В таблице 5.6 указано назначение контактов разъема последовательного интерфейса.

 

Таблица 5.6 - Назначение контактов разъемов последовательного порта

 

Коньакт

 

Наименование

 

Направление

 

Операции

 

3

 

2

 

7

 

8

 

6

 

5

 

1

 

4

 

9

 

TD

 

RD

 

RTS

 

CTS

 

DSR

 

GND

 

DCD

 

DTR

 

RI

 

Выход

 

Вход

 

Выход

 

Вход

 

Вход

 

 

Вход

 

Выход

 

Вход

 

Передаваемые данные

 

Принимаемые данные

 

Запрос на передачу

 

Очищен для передачи

 

Готовность внешнего устройства

 

Сигнальное заземление

 

Обнаружение информац. сигнала

 

ПК к обмену данными готов

 

Индикатор звонка

 

Компьютер, совместимый с IBM PC, может иметь до четырех последовательных портов. Они маркируются как COM1-COM4. Каждый COM-порт формируется отдельным UART 16450 (в нем имеется восемь восьмибитовых регистров), установленным внутри компьютера.

 

 

5.9.2 Интерфейсы RS-422A, RS-423A и RS-449

 

Более новыми стандартами, по сравнению с RS-232, позволяющими обеспечить высокоскоростную работу на больших расстояниях, являются стандарты EIA RS-422A, RS-423A и RS-449. Соответствующими рекомендациями ITU-T для этих стандартов являются V.10 и Х.26 — для RS-423, и V.11 и Х.27 — для RS-422, V.36 для RS-449.

 

 

^ Интерфейс RS-422A.

 

Стандарт RS-422A определяет электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса. Он предусматривает работу на более высоких скоростях (до 10 Мбит/с) и больших расстояниях (до 1000 м) в интерфейсе DTE—DCE. Для его практической реализации, в отличие от RS-232, требуется два физических провода на каждый сигнал. Реализация симметричных цепей обеспечивает наилучшие выходные характеристики.

 

Стандарт RS-422A был разработан совместно с RS-423A и позволяет размещать линии этих интерфейсов в одном кабеле. Он не совместим с RS-232, и взаимодействие между RS-422A и RS-232 может быть обеспечено только при помощи специального интерфейсного конвертера.

 

Таблица 5.8 - Электрические и временные характеристики интерфейса RS-422

 

Характеристика

 

^ RS-422, RS-422A CCITT/V.11

 

симетричный

 

RS-423 CCITT/V.10

 

несимметричный

 

Скорость обмена, кбит/с

 

10000 (15м)

 

100 (15м)

 

Длина линии связи, м

 

1200 (90 кбит/с)

 

1200 (1 кбит/с)

 

Уровни лог. 1/0, В

 

-0, 3/+0, 3

 

-0, 3/+0, 3

 

Согласование Rc, Ом

 

75

 

75

 

Сопротивление Rвх/Rвых, Ом

 

100/4000

 

1000/1000

 

Время передачи бита, нс

 

200

 

1000

 

^ Интерфейс RS-423A.

 

Стандарт RS-423A определяет электрические характеристики несимметричного цифрового интерфейса. " Несимметричность" означает, что данный стандарт подобно RS-232 для каждой линии интерфейса использует только один провод. При этом для всех линий используется единый общий провод. Как и RS-422A, этот стандарт не определяет сигналы, конфигурацию выводов или типы разъемов. Он содержит только описание электрических характеристик интерфейса. Стандарт RS-422A предусматривает максимальную скорость передачи 100 Кбит/с.

 

Таблица 5.9 - Соотношение скорости передачи и длины кабеля для стандартов

 

Скорость передачи, Кбит/с

 

Длина кабеля, м

 

RS-423A (V.10 и Х.26)

 

RS-422A (V.11 и Х.27)

 

1

 

100

 

1000

 

10

 

1000

 

100

 

100

 

10000

 

10

 

^ Интерфейс RS-449.

 

Стандарт RS-449, в отличие от RS-422A и RS-423A, содержит информацию о параметрах сигналов, типах разъемов, расположении контактов и т.п. В этом отношении RS-449 является дополнением к стандартам RS-422A и RS-423A. Стандарту RS-449 соответствует международный стандарт V.36.

 

Стандарт RS-449 определяет 30 сигналов интерфейса. Большинство этих сигналов имеют эквивалентные в RS-232. Кроме того, добавлен ряд новых сигналов.

 

Десять сигналов RS-449 определены как линии 1-й категории. Эта группа сигналов включает в себя все основные сигналы данных и синхронизации, такие как " Передаваемые данные", " Принимаемые данные", " Синхронизация терминала". Скорость передачи сигналов 1 -и категории существенно зависит от длины кабеля. Для линий этой категории на скоростях до 20 Кбит/с могут использоваться стандарты RS-422A либо RS-423A; на скоростях выше 20 Кбит/с (до 2Мбит/с) - только RS-422A.

 

Оставшиеся 20 линий классифицируются как линии 2-й категории и используются стандартом RS-423A. Ко 2-й категории относятся такие управляющие линии, как " Качество сигнала", " Выбор скорости передачи" и др.

 

Стандарт RS-449 определяет тип разъема и, в отличие RS-232, распределение контактов разъема. Используемые разъемы имеют 37 контактов для прямого канала и 9 контактов для обратного канала.

 

^ Интерфейс RS-485.

 

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников

 

Таблица 5.10 – Характеристики интерфейса RS-485

 

Стандарт

 

EIA RS-485

 

Скорость передачи

 

10 Мбит/с (максимум)

 

Расстояние передачи

 

1200 м (максимум)

 

Характер сигнала, линия передачи

 

дифференциальное напряжение, скрученная пара

 

Количество драйверов

 

32

 

Количество приемников

 

32

 

Схема соединения

 

полудуплекс, многоточечная

 

Характеристики интерфейсов RS-232C, RS-423A, RS-422A, RS-485A сведены в таблицу 5.12.

 

Таблица 5.12 - Характеристики интерфейсов

 

Характеристики последовательных интерфейсов

 

Тип

 

Скорость,

 

V

 

Длина кабеля, м

 

L

 

RS-232C

 

Дуплекс

 

20 Кбит/c

 

15 м

 

RS-423A

 

Дуплекс

 

100 Кбит/c

 

10 Кбит/c

 

1 Кбит/c

 

9

 

91

 

1200

 

RS-422A

 

Дуплекс

 

10 Мбит/c

 

1Мбит/c

 

100Кбит/c

 

12

 

120

 

1200

 

RS-485A

 

Полудуплекс, до 32 парал-лельно соединенных приемо-передатчиков

 

10 Мбит/c

 

1Мбит/c

 

100Кбит/c

 

12

 

120

 

1200

 

 

^ 5.10 Параллельный интерфейс

 

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

 

^ Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному порту SPP.

 

Полубайтный режим (Nibble Mode) - ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах.

 

Байтный режим (Byte Mode) - ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Type 1).

 

Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port) (EPP Mode) - двунаправленный обмен данными. Скорость обмена (0, 5...2 Мбайт/с).

 

Режим ЕСР (Extended Capability Port) (ECP Mode) - двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных и использования FIFO-буферов и DMA. Эффективен для принтеров и сканеров.

 

^ Физический и электрический интерфейс.

 

Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов. IEEE 1284 предусматривает два уровня интерфейсной совместимости: первый уровень - для устройств, не требующих высоких cкоростей обмена, но использующих возможность смены направления передачи данных; уровень два - устройства, работающие в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями.

 

Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов: А (DB-25), B (Centronics-36), C (новый малогабаритный 36-контактный разъем).

 

Интерфейсные кабели могут иметь от 18 до 25 проводников (в зависимости от числа проводников GND). Не предъявляется жестких требований к экранировке и прочим параметрам, однако, такие кабели могут работать только на низких скоростях при длине не более 2 метров.

 

В стандарте IEEE 1284 определены следующие типы разъемов - разъем типа A определен как шты­ревой DB25, разъем типа B — как Centronics 36. Разъем типа C является разъемом высокой плотности. Такие разъемы (типа С) устанавливаются на принтерах Hewlett-Packard. Разъемы всех трех типов показаны на рисунке 5.10.

 

Рисунок 5.10 – Разъемы параллельного порта

 

Интерфейс Centronics.

 

Стандартный параллельный порт называется SPP (Standard Parallel Port - стандартный параллельный порт). SPP порт является однонаправленным, на его базе программно реализуется протокол обмена Centronics. Сигналы порта выводятся на стандартный разъем DB-25S (розетка), который размещен непосредственно на плате адаптера или соединяется с ним плоским шлейфом (в случае, если адаптер интегрирован с материнской платой). Названия сигналов соответствуют названиям сигналов интерфейса Centronics.

 

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE):

 

Data Register (DR) - регистр данных.

 

Status Register (SR) - регистр состояния.

 

Control Register (CR) - регистр управления.

 

Контроллер параллельного интерфейса поддерживает 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Обычно поддерживаются три 8-битных регистра в пространстве ввода-вывода и одна линия запроса прерывания. Схемотехника порта LPT базируется на TTL-логике. Скорость обмена не выше 150 Кбайт/с при значительной загрузке процессора.

 

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в адресном пространстве устройств ввода/вывода. Количество регистров зависит от типа порта, однако три из них стандартны и присутствуют всегда - регистр данных, регистр состояния и регистр управления.

 

В IBM PC-совместимых компьютерах за параллельными портами закреплены специальные логические имена, поддерживаемые системой: LPT1, LPT2, LPT3. Имя устройства PRN является эквивалентным LPT1.

 

Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи информации. Интерфейс Centronics является программно-управляемым

 

Особенностью интерфейса Centronics является отсутствие на его разъеме шин питания (есть только " земля" ).

 

Порт ЕРР (Enhanced Parallel Port - улучшенный параллельный порт).

 

Фирмы Intel, Xircon, Zenith совместно разработали спецификацию улучшенного параллельного порта ЕРР (Enhanced Parallel Port).

 

Порт ЕРР является двунаправленным, то есть обеспечивает параллельную передачу 8 бит в обоих направлениях. Порт ЕРР передает и принимает данные почти в шесть раз быстрее обычного параллельного порта. Этому также способствует то, что порт ЕРР имеет буфер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до того момента, когда модем или другое периферийное устройство будет готово их принять.

 

Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосредственно из ОЗУ компьютера в периферийное устройство и обратно, минуя процессор. Такое преимущество, однако, реализуется за счет использования, такого ценного ресурса компьютера, как канал прямого доступа к памяти.

 

Порт ЕРР полностью совместим с обычным портом. Для использования его специфических функций требуется специальное программное обеспечение. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мбит/с.

 

Подобно интерфейсу SCSI спецификация порта ЕРР позволяет подключать в цепочку до 64 периферийных устройств.

 

Порт ЕСР (Extended Capability Port - порт с расширенными возможностями).

 

Дальнейшим развитием порта ЕРР явился порт с расширенными функциями ЕСР.

 

Как и в ЕРР, в порту ЕСР сохранен тот же режим обмена данными через канал прямого доступа к памяти. Также реализован режим работы, позволяющий снизить загрузку центрального процессора при передаче данных через порт. Порт ЕСР позволяет подключать до 128 периферийных устройств.

 

Одной из наиболее важных функций, впервые реализованной в ЕСР, является сжатие данных. Это позволяет резко повысить реальную скорость передачи. Для сжатия данных используется метод RLE (Run-Lehgt Encoding). Согласно алгоритму этого метода длинная последовательность одинаковых символов передается всего лишь двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, а второй — число повторений. При этом стандарт ЕСР допускает сжатие и распаковку данных как программно, путем применения драйвера, так и аппаратно схемой порта.

 

Режимы ECP позволяют достичь скорости передачи данных до 2 Мбайт/с.

 

 

^ 5.11 Интерфейс PC Card (PCMCIA)

 

Стандарт первого поколения PCMCIA 1.0 был выпущен в сентябре 1990г. (вторая версия специфи­кации, вышедшей в 1991 году, официальным названием стало PC Card) и определял использование карт памяти в качестве средств хранения данных.

 

Разъемы PC Card позволяют добавить к ноутбуку порты USB, FireWire, RS-232, парал­лельные порты, сотовые и факс-модемы, порты Parallel или Serial ATA, адаптеры SCSI, адап­теры проводных или беспроводных локальных сетей, жесткие диски формфактора 1, 8 дюйма, ТВ-тюнеры, аудиоадаптеры, платы GPS (глобальной системы позиционирования) и множе­ство других устройств. Если компьютер оснащен разъемами PC Card, совместимыми со стан­дартом PCMCIA, к ним можно подключить любой адаптер PC Card, который будет автомати­чески распознан компьютером.

 

Платы PC Card могут содержать дополнительную оперативную память, жесткие диски, сетевые адаптеры, навигационные приемники GPS и, конечно же, модемы для коммутируемых телефонных сетей общего пользования, сотовых систем связи и для локальных радиосетей. Интерфейсом PCMCIA комплектуются практически все переносные компьютеры и большинство настольных модели. Модемные платы PC Card часто содержат в своем составе и другие коммуникационные устройства, например сетевые адаптеры.

 

^ Архитектура PC Card.

 

Существует два стандарта PC Card: шина PC Card-16 (16 бит) и CardBus (32 бит). Шина PC Card-16 работает на частоте 10 МГц и выполняет передачу 16-разрядных данных максимальной пропускной способно­стью 20 Мбайт/с. Шина является мобильным эквивалентом устаревшей шины ISA.

 

Шина CardBus работает на частоте 33 МГц и передает 32-разрядные данные с максимальной пропу­скной способностью в 133 Мбайт/с (аналог шина PCI). В таблице 5.13 приведены различия меж­ду шинами PC Card-16 и CardBus.

 

 

Таблица 5.13 - Типы шин PC Card

 

Возможность

 

PC Card-16

 

CardBus

 

Напряжение, В

 

5/3, 3

 

3, 3

 

Дизайн

 

ISA

 

PCI

 

Прерывания

 

Не используются совместно

 

Используются совместно

 

Частота, МГц

 

10

 

33

 

Ширина шины данных, бит

 

8/16

 

32

 

Пропускная способность, Мбайт/с

 

20

 

133

 

Хотя в обеих шинах используются одинаковые 68-контактные разъемы, они обладают различными ключевыми контактами, что позволяет подключать адаптеры PC Card-16 к разъ­ему CardBus, но не наоборот. Всеми разъемами CardBus поддерживаются адаптеры PC Card-16 и CardBus. Практически все портативные компьютеры на базе процессоров Pentium оснащались разъемами PC Card-16. Портативные компьютеры, выпущенные после 1996 года, содержат разъемы CardBus.

 

^ Стандарт PCMCIA. Стандарт PCMCIA предусматривает 16-разрядный интерфейс и одну линию запроса прерывания (IRQ). Система расширения PCMCIA объединяет все — от компьютера и унифицированного гнезда для плат PC Card до программных вызовов, обеспечивающих связь программных средств с системой расширения PCMCIA.

 

Устройство, поддерживающее стандарт PCMCIA, может иметь от одного до 255 адаптеров PCMCIA. Каждый адаптер обслуживает до 16 отдельных портов PCMCIA. Таким образом, стандар PCMCIA 2.0 предусматривает возможность объединения в одной системе до 4080 плат PC Card.

 

Типы адаптеров PC Card

 

В стандарте PC Card определено три физических типа адаптеров PC Card, которые отно­сятся как к PC Card-16, так и к CardBus. Эти типы адаптеров приведены в таблице 5.14.

 

 

Таблица 5.14 - Типы адаптеров PC Card

 

Тип адаптера PC Card

 

Длина, мм

 

(дюймов)

 

Ширина, мм

 

(дюймов)

 

Толщина, мм

 

(дюймов)

 

Объем, см3

 

(дюймов3)

 

Type I

 

54, 0 (2, 13)

 

85, 6 (3, 37)

 

3, 3 (0, 13)

 

15, 25 (0, 93)

 

Type II

 

54, 0 (2, 13)

 

85, 6 (3, 37)

 

5, 0 (0, 20)

 

23, 11 (1, 41)

 

Type II

 

54, 0 (2, 13)

 

85, 6 (3, 37)

 

10, 5 (0, 41)

 

48, 54 (2, 96)

 

 

Все адаптеры физически совместимы, поэтому если в разъем можно установить адаптер Type III, значит, подойдут и адаптеры Type II или Type I. В разъем для адаптеров Type II можно установить адаптер Type I, но не Type III.

 

В большинстве компьютеров разъемы PC Card устанавливаются один над другим. В верх­ний разъем можно установить адаптер Type II или Type I, а в нижний — адаптеры всех типов. Во мно­гих современных портативных компьютерах присутствует только один разъем PC Card, кото­рый поддерживает установку адаптеров всех типов.

 

 

^ 5.12 Беспроводные интерфейсы

 

5.12.1 Инфракрасный интерфейс IrDA

 

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на рассто­яние до нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (Infra Red) Connection — без­опасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечива­ет конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современные малога­баритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные телефоны, циф­ровые фотокамеры и т. п.

 

Различают инфракрасные системы низкой (до 115, 2 Кбит/с), средней (1, 152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. В 1993 году была создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association). В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1.

 

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм. Светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно при­нимающие ИК-лучи в конусе 15°.

 

Ниже перечислены варианты, возможные на физическом уровне IrDA:

 

IrDA SIR — для скоростей 2, 4-115, 2 Кбит/с используется стандартный асин­хронный режим передачи (как в СОМ-портах).

 

ASK IR — для скоростей 9, 6-57, 6 Кбит/с также используется асинхронный ре­жим.

 

IrDA HDLC — для скоростей 0, 576 и 1, 152 Мбит/с используется синхронный режим передачи и кодирование, аналогичное протоколу SIR.

 

IrDA FIR — для скорости 4 Мбит/с также применяется синхрон­ный режим.

 

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различными спо­собами; по отношению к системному блоку он может быть как внутренним (раз­мещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зрения» (30° у передатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого устройства (до 1 м).

 

^ Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115, 2 Кбит/с (IrDA SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы асинхронных приемопередатчиков UART, совместимые с 16450/ 16550, через сравнительно несложные схемы ИК- модуляторов/демодуляторов. В ряде со­временных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115, 2 Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2.

 

Существуют внешние ИК-адаптеры с интерфейсом RS-232C (для подключения к СОМ-порту) и с интерфейсом USB. Пропускной способности USB достаточно даже для FIR, СОМ-порт пригоден только для SIR.

 

 

5.12.2 Последовательный инфракрасный порт SIR

 

Интерфейс SIR (Serial InfraRed port — последовательный инфракрасный порт) был разработан ассоциацией IrDA (Infrared Data Association). Первые версии этого стандарта были опубликованы в 1994 году.

 

По своим свойствам интерфейс SIR близок к интерфейсу стандарта RS-232C. Скорость передачи по инфракрасному каналу составляет до 115 Кбит/с (в последних специфи­кациях — до 4 Мбит/с). Обмен данными — асинхронный (без синхронизации), то есть последовательный. Для обна­ружения и устранения ошибок передачи используются ал­горитмы проверки контрольной суммы пакетов данных.

 

Существенным недостатком инфракрасного порта является ограниченный радиус действия (скорость передачи 4 Мбит/с достигается на расстоянии около 1 м). К тому же между приемником и передатчиком не должно быть посторонних предметов.

 

5.12.3 Радиоинтерфейс Bluetooth

 

Bluetooth (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации с помощью радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими портативными устройствами на небольшие расстояния.

 

Каждое устройство Bluetooth имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диа­пазоне частот 2, 4 ГГц. Для Bluetooth используются ра­диоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией. Кодирование простое — логической единице соответству­ет положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2, 5 и 100 МВт.

 

В рамках спецификации Bluetooth определены несколько протоколов.

 

^ Протокол обнаружения сервисов SDP (Service Dis­covery Protocol), позволяющий устройству использовать функциональность окружающего его оборудования.

 

Протокол RFCOMM обеспечивает эмуляцию последовательного порта (9-проводного RS-232). С его помощью традиционные кабельные соединения устройств могут быть легко заменены на радио­связь, без каких-либо модификаций ПО верхних уровней.

 

^ Интерфейс хост-контроллера HCI (Host Controller Interface) — это единообразный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровней Bluetooth. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информа­ции о состоянии и собственно передачи данных. Физически аппаратура Bluetooth может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например, PC Card), шине USB, СОМ-порту. Для каждого из этих подключений имеется соответствующий протокол транспортного уровня HCI — прослойка, обеспечивающая независимость HCI от способа подключения.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: