Учебное пособие: Техническая диагностика средств вычислительной техники

ГОУ СПО Астраханский колледж вычислительной техники

М.В. Васильев
преподаватель специальных дисциплин
Астраханского колледжа вычислительной техники.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

учебное пособие для преподавателей и студентов средних профессиональных учебных заведений по специальности 230101
«Вычислительные машины, комплексы системы и сети»

Астрахань 2007

Настоящее учебное пособие посвящено вопросам диагностики неисправностей средств вычислительной техники. Предлагаемое пособие написано в соответствии с действующей программой курса «Техническая диагностика СВТ», в соответствии с Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 2201 “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” от 8 февраля 2002 года и Дополнением к Государственному образовательному стандарту по специализации 2201.01 “Техническое обслуживание средств вычислительной техники” от 25 сентября 2003 года. Настоящее пособие содержит основные теоретические положения, касающиеся организации, архитектуры и особенностей технической диагностики персональных ЭВМ типа IBM PC/AT. В пособии приведены методики профессионального обслуживания аппаратно-программных вычислительных систем, организованных на базе персональных компьютеров и углубленной диагностики их неисправностей. Большое внимание уделено программным и аппаратным средствам диагностики неисправностей компонент аппаратно-программной системы, ее периферийных устройств и использованию сервисных средств диагностики. В нем приведены также характеристики встроенных тест-программ, основные симптомы неисправностей СВТ, сообщения об ошибках загрузки операционной системы, прогоне прикладных программ и т. д.

Предлагаемое учебное пособие может быть использовано в качестве основного материала для лекционной работы преподавателей и учебного пособия для студентов средних учебных заведений по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», при изучении ими дисциплины «Техническая диагностика средств вычислительной техники».

Введение

Настоящий курс лекций по дисциплине «Техническая диагностика средств вычислительной техники» входит в модуль специализации 230101.51 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники» и является, наряду с дисциплинами «Техническое обслуживание средств вычислительной техники» и «Системотехническое обслуживание аппаратно-программных систем и комплексов», профилирующей – для получения студентами ССУЗ квалификации Техник базового уровня подготовки по специальности 230101.

Задачи курса:

1. Изучить структуру и архитектуру АПС типа РС.

2. Изучить основные средства функционального контроля и методы диагностики АПС.

3. Научиться проводить классификацию неисправностей по степени их жесткости и связи с компонентами ВС.

4. Изучить основные симптомы неисправностей АПС, возникающих при включении РС, загрузке ОС и прогоне прикладных программ.

5. Изучить симптомы аппаратных неисправностей системной платы, консоли и некоторых других периферийных устройств РС.

Содержание курса:

1. Для связи симптомов неисправностей с узлами и компонентами ПЭВМ следует хорошо разбираться в архитектуре, структуре ПЭВМ, для чего предназначен первый раздел курса, в котором рассматривается обобщенная блок-схема РС, архитектура микропроцессора, разновидности микропроцессоров, их структурная схема и функциональные сигналы управления. Для примера подробно рассматривается микропроцессор i386, как типичный представитель микропроцессоров четвертого поколения, использующихся в РС/АТ, начиная с IBM РС 386, и до современных моделей типа Pentium.

2. Для проведения углубленной диагностики неисправностей РС требуются достаточно глубокие знания по особенностям архитектуры как самого CPU, так и средств его системной поддержки. Поэтому здесь рассмотрено взаимодействие CPU с контроллером его системной поддержки, поддержки системной шины, а также с контроллерами и адаптерами ОЗУ, кэш-памяти, системной шины, устройств внешней памяти и ввода-вывода оперативной информации.

3. Далее рассматриваются основные методы диагностики основных периферийных устройств ПК – устройств консоли, внешней памяти, средств коммуникации компьютера, вывода аудиоинформации.

4. Во втором разделе настоящего пособия изучаются приемы разборки и сборки РС, аппаратный и программный аспекты диагностики АПС, стандартная и специальная КИА, используемая при аппаратном способе локализации неисправностей в РС, а также программные средства диагностики неисправностей РС.

5. Третий раздел пособия содержит достаточно подробные сведения о приемах автономного и комплексного методов функционального контроля АПС, АПК и их периферийного оборудования.

Раздел 1 Архитектура и структура ПЭВМ IBM PC и их клонов

Особенности контроля и диагностики микроЭВМ.

Персональный компьютер, как известно, относится к типу микро-ЭВМ, т. е. ЭВМ, используемых микропроцессорные структуры. Микро-ЭВМ, в отличие от других типов вычислительных устройств, имеет свои достоинства и недостатки в плане диагностики их неисправностей.

Поиск неисправностей в микроЭВМ осложнен целым рядом причин, наиболее важными из которых представляются следующие:

1) высокая сложность СБИС. Обычный однокристальный микропроцессор имеет около 200 внутренних запоминающих элементов (информационных, управляющих регистров и триггеров) и, соответственно, 2²⁰⁰ возможных состояний, поэтому полный контроль микропроцессорных СБИС практически невозможен и отдельные неисправности, вызванные взаимным влиянием отдельных элементов СБИС, могут проявляться в виде редких нерегулярных сбоев;

2) малое число контрольных точек схемы (выводов ИМС) приводит к тому, что подача тестирующих воздействий на нужные точки схемы и контроль их состояния носит косвенный характер. Доступ к внутренним элементам СБИС возможен только под микропрограммным управлением, т. е. генерация тестовых последовательностей возможна, в основном, только средствами микропрограммного управления самого микропроцессора или микроконтроллера;

3) неразделимость аппаратных и программных средств управления микропроцессорной системы. Часто провести четкую границу между аппаратными и программными средствами микропроцессорной системы нельзя, так как в большинстве микропроцессоров ПЗУ микропрограмм выполнено на самом кристалле СБИС микропроцессора;

4) сложность и неразделимость аппаратных средств микроЭВМ. Микропроцессорную систему часто невозможно разделить на отдельные функциональные узлы (ТЭЗ, как в больших ЭВМ), потому что часто вся микро-ЭВМ, или, по крайней мере, ее системная плата, исполняются в виде одного конструктивно законченного узла. Во-вторых, часто в одной СБИС, например, контроллере системной поддержки микропроцессора, совмещены различные функции: управление и выполнение арифметических процедур, запрограммированная конфигурация, выполнение функций ввода-вывода и т. д., и наоборот – одна функция может реализовываться по частям в разных СБИС и т. п. Так что диагностика неисправностей микро-ЭВМ требует высокой квалификации обслуживающего персонала;

5) необходимость одновременного контроля состояния шин. Микропрограммный характер генерации тестовых воздействий требует наблюдения и регистрации всех сигналов шин на больших временных интервалах , чтобы можно было зафиксировать редкие и однократные события. Эти события идентифицируются заданными комбинациями сигналов на шинах адреса, управления, данных, и даже заданной последовательностью таких комбинаций. Например, регистрация первичной ошибки только в n -м такте операции умножения с плавающей точкой, только с определенными операндами, да еще и на фоне обмена данными с принтером. Подобную регистрацию можно провести только на специальной нестандартной КИА – анализаторе логических состояний;

6) высокое быстродействие. Тактовая частота современных микропроцессоров достигает сотен МГц и даже ГГц, так что разрешающая способность стандартной и нестандартной КИА должна быть не ниже тысяч МГц, но такая аппаратура очень сложна, дорога и редка;

7) шинная организация микропроцессорной системы часто требует использования тристабильных элементов (с Z-состоянием) с подключением в одну точку многих передатчиков и источников сигналов, что приводит к трудностям определения источника искажения информации в магистрали;

8) мультиплексирумость шин микропроцессорной системы, вызываемая необходимостью сокращения числа выводов СБИС, приводит к временному разделению одной и той же шины между младшей и старшей частями адреса, адресом и данными, данными и сигналами управления и т. п. Это требует дополнительной идентификации характера информации на шине и сильно усложняет диагностику магистралей.

Но, наряду с вышеуказанными сложностями, микропроцессорные системы имеют и ряд преимуществ при диагностике неисправностей в них:

1) стандартная форма электрических сигналов. Важной особенностью всех цифровых, дискретных устройств, реализованных на стандартных наборах БИС, является стандартное представление информации электрическими сигналами одинаковой амплитуды (логические нуль и единица представляются сигналами нулевого уровня и/или сигналами уровня амплитудой порядка +5 вольт). В этом случае, прибегать к измерениям аналоговых величин (амплитуды, длительности фронтов), приходится только в блоках ЦАП и АЦП, или при подозрении на выход из строя одной из компонент схемы. Эта стандартность дает возможность разрабатывать КИА со средствами стандартного подключения к контролируемым точкам системы, что снижает стоимость такой КИА и, в большой степени, сокращает вероятность ошибок оператора. Примером такой КИА могут быть логические пробники и измерительные клипсы, одеваемые прямо на выводы исследуемых ИМС;

2) способность к самоконтролю. Как только отлажена схема синхронизации микропроцессорной системы и начал работать контур микропрограммного управления, появляется возможность использовать сам микропроцессор системы для сбора и обработки информации о состоянии элементов самой микропроцессорной системы. Исполнение таких тестовых программ, как циклические пересылки унитарных кодов, подсчет контрольных сумм содержимого ROM BIOS, КМОП-памяти, контроль ОЗУ, запись-чтение тестирующей информации в порты ввода-вывода и т. п., позволяет определить характер неисправности, а иногда и точно указать ее место. Мощным средством в этом отношении являются микропрограммные тесты, которые составляются с использованием так называемого “способа раскрутки”, когда, опираясь на уже проверенное ядро тестируемой системы, можно постепенно и очень подробно протестировать все более дальние от ядра узлы схемы и, по словарям неисправностей, достаточно точно определить место возникновения неисправности. При этом основная тяжесть диагностики переносится с "изобретения" диагностирующим персоналом контрольных процедур с использованием КИА, на разработку диагностических микропрограмм. Эта работа требует доскональных знаний аппаратной реализации ЭВМ и под силу только ее разработчикам, которые и составляют эти проверочные и диагностирующие микропрограммы и наборы микропрограммных тестов.

Основной или, во всяком случае, функциональной составляющей большинства вычислительных систем и вычислительных комплексов часто является компьютер, первоначально, при разработке, ориентированный на персонального пользователя и, в силу хорошо продуманной организации, способный решать и другие, системные задачи. Следует только иметь в виду, что это все-таки персональная машина (ПЭВМ), обладающая рядом недостатков:

- плохо развитая коммуникативность: малы возможности развития подсистем ввода-вывода, очень трудно и неэффективно подключать к РС несколько десятков внешних устройств;

- не всегда достаточны скорости передачи данных, без участия центрального микропроцессора;

- недостаточен объем специальной высокоскоростной мультиплексной памяти;

- сложно, а порой и невозможно, обеспечить параллельную работу периферийного оборудования в режиме совмещения;

- трудно решается проблема многопользовательской работы (многозадачный режим), в силу слабо развитой системы прерываний и обслуживания каналов ввода-вывода;

- неэффективное использование собственно вычислительных возможностей центрального процессора. При работах по вводу-выводу он практически простаивает, что ведет к плохому использованию ресурсов ВС. Так, ввод-вывод реализует всего 5-10% заложенных в РС возможностей по скоростям его работы, а в CPU и того меньше – 2-5%.

Хорошим выходом из этого положения может быть особая RISC-структура CPU и применение специальной каналообразующей аппаратуры (процессоров каналов связи). Но это будет уже совсем не персональный компьютер, а, скорее, система типа IBM-370, 380, 390, ЕС ЭВМ, PDP и т. п. Однако, в силу ряда не вполне объективных причин, их применение у нас в стране сильно ограничено. Зарубежные фирмы подобные системы нам поставляют весьма неохотно, нет и литературы по их применению. Так что нам приходится использовать, для систем не очень высокого класса, именно РС. Так что мы вынуждены изучать эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт именно РС.

Изучать мы будем компьютер именно типа IBM PC/AT потому, что все современные модели РС, вплоть до самых последних, в большой мере интерпретируют структуру и архитектуру РС/АТ. С другой стороны, все поздние модели РС, начиная с 386 и до "Pentium-4" – это технологические усовершенствования РС/АТ: увеличение разрядности, объемов ОЗУ, объемов ВЗУ, повышение быстродействия компонент, в первую очередь, CPU и системной шины, и архитектура последних моделей РС практически не отличается от РС/АТ. Плюс к тому, быстро развивающаяся технология СБИС позволяет совместить в одном кристалле много функций разных узлов обрамления CPU – объединить CPU и FPU в одной ИМС (486, "Pentium"), и собственно структура центрального вычислителя при этом не видна. Нам же нужно хорошо представлять себе все узлы, как вычислителя, так и его обрамления, а это лучше всего видно на примере РС/АТ.

1.1 Блок-схема ЭВМ по фон-Нейману и ее реализация в ПК

Блок схема любого компьютера состоит из пяти частей (рисунок 1.1):

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─┐
ЦПУ┌───────┐
│ │ УУ │ │
└───┬───┘
┌──────┐ │ ┌────┴────┐ │ ┌────────┐
│ Увв ├───>│ АЛУ │ ────>│ Увыв │
└──────┘ │ └────┬────┘ │ └────────┘
└─ ─ ─ ─│─ ─ ─ ┘
┌────┴────┐
│ ЗУ │
└─────────┘

Рисунок 1.1. Обобщенная блок-схема ЭВМ.

Две части: АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (в РС – CPU – микропроцессор).

АЛУ (арифметико=дигическое устройствр) предназначено для выполнения арифметических и логических процедур программы вычислений.

УУ (устройство управления) выполняет функции управления устройством АЛУ, оперативной памятью и синхронизирует работу всех составных частей вычислительной системы (в РС УУ встраивается в CPU). Устройство управления вычислительной системой может быть выполнено на жесткой логике, или использовать микропрограммный способ управления.

Как известно, управление вычислительным устройством осуществляется аппаратно с помощью фиксированных для каждой вычислительной системы специальных сигналов, называемых элементарными операциями .

При выполнении УУ с жесткой логикой , выработка нужных последовательностей элементарных операций производится с помощью дешифратора кода операций и распределителя синхронизирующих импульсов (РСИ). При этом аппаратная реализация такого УУ получается очень сложной и громоздкой. Это связано с тем, что дешифратор кода операций должен иметь столько выходов, сколько разных команд имеется в системе машинных (ассемблерных) команд данной вычислительной системы, и каждый из выходов такого дешифратора должен иметь свой собственный РСИ. Кроме того, такое УУ совершенно негибко в части внесения каких-либо изменений в систему команд (потому-то она и называется жесткой), т. к. в этом случае потребуются аппаратные изменения, как в дешифраторе команд, так и в системе РСИ. Но, тем не менее, реализованное на жесткой логике управление является весьма быстродействующим и находит применение в специализированных вычислительных системах.

Для упрощения аппаратной структуры устройства управления был разработан метод микропрограммного управления . Суть его состоит в том, что для каждой машинной операции разработана своя микропрограмма, состоящая из последовательности отдельных микрокоманд. Каждая из микрокоманд, в свою очередь, содержит либо непосредственно набор элементарных операций (микроопераций), которые необходимы для выполнения данного шага микропрограммы и могут быть выполнены одновременно, либо только коды элементарных операций, которые должны быть одновременно выполнены в данной микрокоманде. В последнем случае, коды элементарных операций тоже расшифровываются, но очень простыми дешифраторами, так что структура микрокоманды упрощается и становится похожей на структуру обычной машинной команды. Обобщенно структуру микрокоманды можно представить так:

|КМкОп| – |Адр|

где

КМкОп – код микрооперации (принять, выдать данные, сбросить регистр и т. п.)

Адр – адрес компоненты (регистра, формирователя, сумматора и т. д.), для которой должна быть выполнена данная микрооперация.

Последовательность микрокоманд (с учетом условий их выполнения, переходов в микропрограмме, подобно машинным, ассемблерным командам) и составляет конкретную микропрограмму. Вся система микропрограмм обычно хранится в ПЗУ микропроцессора, но иногда и в ОЗУ микропроцессора. Последнее требует перед началом работы загрузить ОЗУ микропрограмм, но такой прием позволяет, загрузив другую систему микропрограмм, работать в другой ассемблерной системе команд.

Каждая из микропрограмм вызывается на исполнение по коду операции исполняемой ассемблерной команды, так что последовательность выполняемых микропрограмм однозначно определяется последовательностью ассемблерных команд выполняемой в данный момент программы.

Увв (устройство ввода) и Увыв (устройство вывода) в ПК составляют подсистему ввода-вывода. Увв – для ввода исполняемых программ, оперативных настроек операционной системы, прикладных программ, исходных данных для вычислений и команд оперативного управления вычислительным процессом. Увыв – для вывода оперативной информации, результатов вычислений (на дисплей, печатающие устройства, удаленные терминалы, абонентам сетей и т. д.), различных программных файлов, данных для резервного хранения и т. п.

ЗУ (запоминающее устройство) включает в себя ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM BIOS). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначается для хранения рабочей программы в процессе вычислений, а также для оперативного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений до завершения выполняемой программы. Если в качестве автоматического вычислительного устройства иметь в виду конкретно компьютер , то в ОЗУ компьютера хранятся, при его работе, еще и операционная система, программы-драйверы управления периферийными устройствами и ряд других служебных программ и оперативных настроек системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ROMBIOSперсонального компьютера хранятся, в основном, служебные программы-драйверы, необходимые, по крайней мере, для загрузки операционной системы. ПЗУ нужно потому, что ОЗУ, выполняемое обычно на динамических полупроводниковых элементах памяти, при выключении питании компьютера теряет всю информацию.

Система ввода-вывода в компьютерах, в свою очередь, распадается на подсистемы: консоли (KBD и видеоподсистема), дисковую подсистему, коммуникационные COM- и LPT-порты и т. д.

Несколько слов о консоли. Видеомонитор и клавиатура по традиции, берущей начало от системы IBM-360 и ЕС ЭВМ, принято называть консолью ЭВМ или ПЭВМ. Это уже давно устоявшееся название используется и сейчас. Так, в ROMBIOSPCDOS есть драйвер CON (Console) – системный драйвер клавиатуры и дисплея.

Конструктивно подсистемы видео, дисковая, коммуникации, периферийных устройств и клавиатура, в большинстве случаев, располагаются не на системной плате и соединяются с ней посредством системной шины через разъемы – слоты расширения. Именно это и позволяет аппаратно реконфигурировать систему, подключая, при необходимости, к слотам расширения системной шины разные виды контроллеров, адаптеров, а к ним – и нужные устройства ввода-вывода. Впрочем, отдельные типы РС, такие как LapTop, Note-Book имеют встроенные видеосистему, клавиатуру, дисковую систему, а некоторые из моделей и DeskTop, выполняющиеся по принципу BabyBoard, имеют непосредственно на системной плате многие из контроллеров ВУ и ПУ и даже НЖМД. Это ухудшает способность РС к реконфигурированию, но снижает себестоимость и, соответственно, цену РС.

Контрольные вопросы.

1. Каково назначение АЛУ?

2. Каково назначение блока УУ?

3. Где, по фон-Нейману, должна находиться программа для автоматического выполнения вычислений?

4. Для чего предназначены блоки Увв и Увыв?

5. Как может быть реализован блок УУ?

6. Какие пять основных частей составляют компьютер?

7. Какие основные функции возложены на CPU?

8. Какое конструктивное решение позволяет легко реконфигурировать РС?

9. Что понимается под аппаратной конфигурацией и реконфигурацией компьютера?

10. Какие устройства входят в понятие консоли ЭВМ и ПЭВМ?

1.2 Структурная схема PC / AT

Типичная структурная схема РС/АТ в развернутом виде представлена на рисунке 1.2.

Центральным устройством, осуществляющим все вычислительные функции, функции управления и синхронизации работы всех подсистем РС, является CPU, содержащий АЛУ, регистровую память, дешифратор команд, микропрограммное устройство управления и, в последних версиях CPU “Pentium”, буферную (кэш) память.

┌──┬──────────┐
┌─────┐ ┌────┐ │ │ controllers PS │─> │ GCLK │─> ┌ ─ ─ ─ ┐ │ │ ┌───┐ │ ┌──────┐
└─────┘ └────┘ FPU │ S │<─┤ CGA │────>│ MON - C │
│ ┌───┴──┐ │ L │ └───┘ │ └──────┘
└ ─ │ CPU │ SB │ O │ ┌───┐ │ ┌──────┐
│ │<─┬────>│ T │<─┤ MDA │────>│ MON - M │
┌────────┐ └─┬────┘ │ │ S │ └───┘ │ └──────┘
│ DRAM │───────│ LB │ │ │ ┌───┐ │ ─────┐
└────────┘ ┌────┴────┐ │ │ │<─┤ COM ├────>/ Mouse │
│ ROM BIOS │ │ │ │ └───┘ │ └──────┘
┌─────┐ └─────────┘ │ │ │ ┌───┐ │ ┌────
┌─────┐ │ contr │ │ │ │<─┤ LPT ├────>│ PRN \
│ KBD │<──>│ KBD │<──────────────┘ │ │ └───┘ │ └─────┘
└─────┘ └─────┘ │ │ │ ┌────┐
│ │ ┌──>│ CD │
│ │ ││ └────┘
│ │ ││ ┌────┐
│ │ ├──>│ PU │
│ │ ┌───┐ ││ └────┘
│ │<-│ APU │─>││ ┌────┐
│ │ └───┘ ├──>│ FDD │
│ │ ││ └────┘
│ │ ││ ┌────┐
│ │ └──>│ HDD │
└──┴──────────┘ └────┘

Рисунок 1.2. Блок-схема РС/АТ.

Здесь

PS (PowerSupply) – блок питания.

GCLK – генератор тактовых импульсов. GCLK и PS изображены отдельно, так как их функции, сигналы и взаимосвязи с остальными блоками очевидны.

FPU (FloatingPointUnit – устройство плавающей точки) – математический сопроцессор. FPU предназначается для выполнения операций с плавающей точкой и вычислений: тригонометрических функций, логарифмов и т. п.

DRAM и ROM BIOS – оперативная и постоянная память компьютера, соответственно.

contr KBD (Controller KeyBoard) – контроллерклавиатуры. Изображенный на блок-схеме контроллер клавиатуры в слот расширения не вставляется, а смонтирован непосредственно на системной плате, но связан все-таки непосредственно с системной шиной (SB), из которой и образованы щелевыми разъемами слоты расширения системной шины.

В слоты расширения (Slots) вставляются дочерние карты-контроллеры внешних устройств: мониторов (CGA, MDA), манипуляторов (COM), принтеров (LPT) или адаптеры других периферийных устройств (APU) – жестких дисков, дисководов и т. д. К этим картам и подключаются соответствующие внешние устройства. Например, мониторы цветной (MON-C), монохромный (MON-M), манипулятор (Mouse), принтер (PRN), дисковод компакт-дисков (CD), накопители на гибких (FDD) и жестких (HDD) дисках и другие периферийные устройства (PU), входящие в данную аппаратную конфигурацию рабочей (компьютера).

1.3 Конструкция и аппаратный состав IBM PC

Базовый комплект персонального компьютера включает в себя три блока:

- системный блок,

- клавиатуру,

- видеодисплей.

По конструкции системные блоки (SU – SystemUnit) могут быть:

- настольные (Desk Top),

- напольные (Desk Size),

- вертикальные (Tower),

- переносные (Lap Top, Brief-Case-Size),

- миниатюрные (Book-Size, Pocket, Hand-Held, Note-Book).

Системный блок (SU) всегда содержит:

- системную плату (SB – System Board), объединяющую вокруг локальной шины (LB) микропроцессора все электронные компоненты подсистем и периферийных устройств ввода-вывода,

- импульсный блок питания (Power Supply),

- устройства подсистемы внешних запоминающих устройств (ВЗУ),

- систему принудительного охлаждения (вентиляции),

- набор карт адаптеров УВВ (I/O Card Adapter), устанавливаемых в разъемах расширения системной шины, но в некоторых типах РС адаптеры УВВ могут быть установлены и прямо на SB.

ПЭВМ на базе CPUi386 могут быть организованы по следующим архитектурным стандартам:

Архитектура AT BUS (имеющаяидругоеобозначение: ISA – Industry Standard Architecture).

AT BUS имеет большую армию производителей клонов IBMPC/AT, использующих, для индустрии ПЭВМ среднего класса, отлаженные технологические линии производства всех компонент ПЭВМ. Рынок ПЭВМ был быстро освоен копировщиками клонов, благодаря принципам модульности, унификации, открытости архитектуры, способности к модернизации и сравнительной дешевизне ПЭМВ, при хороших потребительских показателях подсистем оборудования. Данная архитектура предполагает, для развертывания подсистемы ввода-вывода, наличие на SB группы из трех типов разъемов, дополняющих друг друга. Первый из них – 62-контактный, практически полностью перенесенный из клона IBMXT. Второй разъем – 36-контактный, дополняющий первый по линиям адреса до 24, данных – до 16, в нем имеются также дополнительные линии подсистем ПДП и прерываний. Третий разъем не стандартизован. Он может быть представлен различными вариантами расширений до 32-битовых линий данных, при установке дополнительной памяти, либо спецификацией локальной шины VLBUS (предложена ассоциацией по стандартизации в области видео электроники VESA).

Архитектура MCA (Micro Channel Architecture).

Эта шина предназначается для высокопроизводительных высокоскоростных систем. Организация обмена по 32-битовой шине варьируется различными способами информационного обмена, наиболее скоростной из которых – пакетный. Система имеет большой резерв для усовершенствования, и нашла применение в технологических линиях производства PS/2 и PowerStationServer, фирмы IBM. Наряду с многочисленными достоинствами архитектуры, в МСА имеется ряд существенных недостатков. Например, далеко не все типы карт расширения для подключения УВВ можно установить в разъемы МСА, логический и физический интерфейс не совместимы с архитектурой ISA, и ряд других ограничений.

Архитектура EISA (Extended ISA).

Это усовершенствованная шина АТ BUS. Группа основных производителей клона IBMPC (кроме фирмы IBM), с целью создания шины, конкурентоспособной шине МСА, разработала свою архитектуру шины – EISA. Эта шина, в отличие от MCA, совместима с ATBUS и, вместе с тем, тоже способна работать в высокоскоростных мультипроцессорных системах. Многократные тестирования, проведенные независимыми экспертами, в итоге не позволили выявить шину-лидера в споре МСА с EISA, но отечественные пользователи предпочитают последнюю. Впрочем, в современных моделях ПЭВМ используются, наравне с шиной EISA, и более новые стандарты шин, такие как PCI и USB. В большинстве системных плат современных РС все же оставляют 2-3 разъема с архитектурой EISA, для возможности подключения карт адаптеров старых моделей.

Контрольные вопросы.

1. Какие блоки обязательно входят в минимальный базовый комплект РС?

2. Как различаются РС по конструктивному исполнению?

3. Какие функциональные устройства должен содержать системный блок?

4. По каким архитектурным стандартам может быть организована ПЭВМ на базе CPUi386?

5. В чем достоинства и недостатки архитектуры ISA?

6. Почему архитектура МСА не получила широкого применения?

7. Какие преимущества имеет архитектура EISA?

1.4 Системная плата PC - i 386 DX

Для углубленной диагностики неисправностей микро-ЭВМ, к которым относятся все ПЭВМ, следует хорошо представлять себе не только структуру, но и логику построения и работы всех узлов и блоков, входящих в вычислительную систему на базе ПЭВМ.

Системная плата типичного компьютера содержит основные, несменные компоненты , не участвующие в аппаратном реконфигурировании РС:

- центральный микропроцессор (CPU),

- математический сопроцессор (FPU),

- оперативную память (DRAM) и ее буфер – кэш-память,

- контроллер DRAM,

- ROM BIOS,

- контроллер прямого доступа в память (DMA),

- СБИС системной поддержки CPU (Chip Set),

- системную шину (SB), представленную слотами расширения,

- контроллеры системной шины, буферы, шинные формирователи,

- систему локальной шины для связи CPU с FPU, DRAM, ROM,

- полупостоянную память небольшого объема (CMOS-память) для хранения текущей аппаратной конфигурации РС.

Вышеназванные контроллеры, буферы и формирователи на системной плате современных компьютеров выполняются в виде наборов из нескольких СБИС. Каждый такой набор носит название чип-сета (ChipSet). Чип-сеты разных производителей могут содержать разное количество СБИС и различное содержание каждой из СБИС, но общий состав всех контроллеров, буферов и формирователей остается практически неизменным, хотя и достаточно жестко привязанным к конкретному типу микропроцессора.

Рассматриваемая здесь для примера структурная схема РС386 реализована набором чипов VLSI (VeryLargeScallIntegration), составляющим чип-сет группы 8230 и включает в себя наборы модулей:

82С206 – интегрированный периферийный контроллер,

82С301 – системный контроллер,

82С302 – контроллер оперативной памяти,

82А303, 82А304 – буферы старшей и младшей частей адресов,

82В305 – контроллеры шины данных,

82А306 – буфер управляющих сигналов.

Встречается много разных наборов (чип-сетов), например группы, 81310, 8281 и т. д., имеющих другой состав, но в целом выполняющих те же самые процедуры обменов.

1.4.1 Структурная схема системной платы РС i 386 DX

Системная плата i386DX, структурная схема котоой приведена на рисунке 1.3,имеет следующие особенности:

1) применяется модернизированный ISA-интерфейс, включающий в себя дополнительный разъем для организации доступа в подсистему DRAM по 32-битовой шине данных;

2) управление обменом выполняется CPU i386 в режиме pipelined mode – конвейеризации адресов в 32-битовом формате;

3) аппаратно-программные средства обеспечивают доступ к DRAM в режиме Interleaving Organization – чередование банков памяти;

4) допускается страничный, по 2 Кбайт, режим (Page Mode) работы ОЗУ;

5) для повышения гибкости работы системы, в ряде контроллеров дополнительно программируются регистры конфигурации портов ввода-вывода;

6) ПЗУ базовой системы ввода-вывода ROM BIOS, объемом 64 Кбайт, включает в себя программу Extended CMOS SetUp или New SetUp, из которой и загружаются вышеуказанные порты регистров конфигурации, в результате чего, по желанию пользователя, могут быть изменены параметры теневой ОЗУ (Shadow RAM), отменена проверка паритета DRAM (Рarity Check DRAM), обеспечивается независимое программирование рабочей скорости CPU, DMA, системной шины, задержки в управлении памятью и устройствами ввода-вывода;

7) в составе клона IBM PC\AT, для периферийного оборудования может быть установлен менеджер режимов питания, позволяющий переводить модули обрамления в экономичный режим энергопотребления, если ВС находится в режиме простоя (Ti-Idle). Сам менеджер имеет автономную систему питания и организован на чипе i82347

┌─ ─ ─ ─ ─┐ Local Bus System Memory Bus IO Channel Bus D A MD MA SD SA WTL 3167 \│ \│ ctrl │ ABF │ \│ \│ \│ \│
│ ┌─────┴──┐ │ │ ─────>│ │──────│─>│ │ │
FPU │ CPU │────│─>│<──────>│ 82 A 303 │<─────│──│─────────────────│─>│
└─ ─┤ │ │ │ │ 82 A 304 │<───┐ │ │ │ │
│ │<──>│ │ └────────┘ │ │ │ │ │
│ 80386 │ │ │ ┌────────┐ │ │ │ │ │
└────┬───┘ │ │ ctrl │ DBF │ │ │ │ │ │
│ │ │ ─────>│ │<────>│ │ RD [15/00] │ │
│ │<─│───────>│ 82 A 305 │<─────│──│─┬─>┌───────┐ │ │
┌────┴───┐ │ │ │ │ │ │ │ │ │ I / O BUS │ │ │
│ │ │ │ └────────┘ │ │ │ │ │ │<──>│ │
│ SC │ │ │ ┌────────┐ │ │ │ │ │74 S 245 │ │ │
│ │ │ │ ctrl │ MC │ │ │ │ │ └───────┘ │ │
│ 82 C 301 │ │ │ <─────┤ │<──┐│ │ │ │ │ │
└───┬┬───┘ │ ├───────>│ 82 A 302 │<─────│─>│ │ ┌───────┐ │ │
││ │ │ │ │ ││ └──┤ ROM │<───│──┤
││ │ │ └───┬────┘ ││ │ BIOS │ │ │
\/ ┌───┴────┐ ││ └───────┘ │ │
CONTROL │ BFS │ ││ ┌───────┐ │ │
XD [07/00] └───┬────┘ ││ ┌─┤ AT │<───│─>│
XA [01/00] │ ││ │ │ Add On │<──>│ │
│ ││ │ │Boards│ │ │
Peripheral ┌───┴────┐ ││ │ └─────┬─┘ │ │
Bus │ DRAM │ ││ └───────┘ │ │
XD XA └────────┘ ││ │ │
│<──│───────────────────────────┘│ │ │
│ │<───────────────────────────┘ │ │
8 │ │ 8(24) ┌───────┐ │ │
\│ │/ │ I / O BUS │ │ │
│<──│───────────────────>│74 S 245 │<────────────────────>│ │
│ │ ┌────────┐ └───────┘
│<──│───────>│ IPC │
│<──│───────>│ 82 C 206 │
│ │ └────────┘ ┌────────┐
│<──│─────────────────────────────────>│ KBDC │
│ │<────────────────────────────────>│ 8042 │└────────┘

Рисунок 1.3. Структурная схема системной платы РС386.

На приведенной схеме использованы следующие обозначения:

CPU – центральный процессор,

FPU – математический сопроцессор,

SC – System Control - системный контроллер,

ABF – Addres Buffers – буферы адреса (303 – старшей, 304 – младшей) частей адреса,

DBF – Data Buffer – буферданных,

МС – Memory Controller – контроллерОЗУ,

BFS – Buffers – буферыпамяти (КЭШ),

DRAM – ОЗУ,

I/O Bus – приемопередатчики шин,

ROM BIOS – системное ПЗУ,

АТ – адаптеры и контроллеры расширения системной шины,

IPC – Integrated Peripheral Controller – интегральныйконтроллерпериферии,

KBDC – Keyboard Controller – контроллерклавиатуры.

1.4.2 Архитектура шин чип-сета группы 8230

Системная плата IBM PC386 с набором чип-сета 8230, изображенная на рисунке 1.3, имеет следующую систему шин:

1. 32-битовая локальная шина адреса LokalBusА[31/02] связывает:

- CPU 80386,

- FPU 80387 или WEITEK WTL3167, если имеется его розетка,

- буферы адреса 82A303 и 82A304,

- контроллер DRAM 82A302;

2. 24-битовая системная шина адреса IOChannelBusSA[23/00] формируется буферами адреса 82A303, 82A304 и используется в подсистеме ввода-вывода для карт расширения УВВ;

3. 24-битовая шина расширения адреса PeripherialBusXA[23/00] формируется буферами адреса 82A303, 82A304 и используется контроллером IPS 82C206 также для доступа к ROM BIOS, а часть адреса XA[01/00] – и для доступа к портам модулей системной поддержки;

4. 10-битовая шина адреса DRAM MA[09/00] – мультиплексируемая шина для передачи адреса из контроллера MC 82A302 в DRAM для доступа к ячейкам DRAM;

5. 32-битовая локальная шина данных LocalBusD[31/00] – двунаправленная шина с Z-состоянием, подключена к нагрузочным сопротивлениям 32х10 КОм и коммутирована к сопроцессору и буферам данных DBF 82A305.

Локальные шины A[31/02], D[31/00] и XA[01/00] могут быть организованы в подсистему расширения локальной шины VESA, для использования в системе скоростных 32-битовых УВВ, минуя арбитраж.

6. 16-битовая системная шина данных IOChannelBusSD[15/00] формируется на буферах данных DBF 82A305 и двунаправленных шинных формирователях IO BUS типа 74S245.

7. Для доступа к ROM BIOS используется локальная шина RD[15/00], преобразование которой в шину IOCannelBusSD[15/00] производит второй шинный формирователь IO BUS 74S245. Системные шины доступны, если управляющая ПЛИС PAL16L8 (системный контроллер SC 82C301) декодировала одну из комбинаций управляющих сигналов, предназначенных для доступа к картам УВВ.

8. 32-битовая шина данных DRAM SystemMemoryBusMD[31/00] связывает DRAM и буфер данных DBF 82A305. Полная ширина линий MD[31/00] выведена и на специальный разъем расширения DRAM.

9. 8-битовая шина расширения данных PeripherialBusXD[07/00] предназначена для доступа к информации периферийных портов обрамления УВВ, расположенных в контроллерах SC 82A301, MC 82A302, IPC 82C206. Для организации доступа к 8-битовым устройствам через 16-битовую магистраль IOCannelBusSD[15/00], используются два цикла обмена, в течение которых на PeripherialBusXD[07/00], через буфер I/O BUS 74S245, посылается от/к УВВ по одному байту.

В слотах УВВ имеются разъемы для набора сигналов группы интерфейсов XT/AT-BUS.

Контрольные вопросы.

1. Что связывает локальная шина микропроцессора?

2. Какую разрядность имеют локальная и системная шины данных?

3. Какую разрядность имеет локальная адресная шина микропроцессора?

4. К какому объему адресного пространства может иметь прямой доступ CPUi386?

5. Сколько байт может быть передано одновременно по системной шине ISA?

6. Сколько байт информации может быть передано одновременно в/из DRAM?

7. В чем особенность адресной шины DRAM?

8. Сколько портов ввода-вывода можно адресовать через системную шину адреса?

1.4.3 Микропроцессор

1.4.3.1) Архитектура и типы микропроцессоров

Архитектура, т. е. логическая организация микропроцессора, однозначно определяет свойства, особенности и возможности построения вычислительной системы на базе данного микропроцессора.

Современные микропроцессоры, при всем разнообразии их типов, моделей и производителей, имеют одну из трех типов архитектуры: CISC, RISC и MISC (это относится к микропроцессорам универсального, а не специального применения).

Архитектура CISC (Complex Instruction Set Computer) – командо-комплексная система управления компьютером. Отличается повышенной гибкостью и расширенными возможностями РС, выполненного на микропроцессоре, и характеризуется:

1) большим числом различных по длине и формату команд;

2) использованием различных систем адресации;

3) сложной кодировкой команд.

Архитектура RISC (Reduced Instrucktion Set Computer) – командо-однородная система управления компьютером, имеет свои особенности:

1) использует систему команд упрощенного типа: все команды имеют одинаковый формат с простой кодировкой, обращение к памяти осуществляется командами загрузки (данных из ОЗУ в регистр микропроцессора) и записи (данных из регистра микропроцессора в память), остальные используемые команды – формата регистр-регистр;

2) при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота и меньшая степень интеграции СБИС VLSI;

3) команда меньше нагружает ОЗУ;

4) отладка программ на RISC более сложна, чем на CISC;

5) с архитектурой CISC программно несовместима.

Архитектура MISC (Multipurpose Instruction Set Computer) – многоцелевая командная система управления компьютером, сочетает в себе преимущества CISC и RISC. Элементная база состоит из отдельных частей (могут быть объединены в одном корпусе): основная часть (HOST – ведущая), архитектуры RISC CPU, а расширяемая часть – с подключением ПЗУ (ROM) микропрограммного управления. При этом вычислительная система приобретает свойства CISC: – основные команды работают на HOST, а команды расширения образуют адрес микропрограммы для своего выполнения. HOST выполняет команды за один такт, а расширение эквивалентно CPU со сложным набором команд (CISC). Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, связанный с тем, что при компиляции с языка высокого уровня код операции (микропрограмма) уже дешифрирована и открыта для программиста.

Типы микропроцессоров.

Как известно, микропроцессоры бывают трех типов:

- однокристальные микропроцессоры,

- однокристальные микро-ЭВМ (All-In-Once – все в одном),

- секционные микропроцессоры (bit-slise - частичное расслоение).

1) Однокристальные микропроцессоры характерны тем, что:

- система команд фиксирована;

- содержат основные элементы кристалла: АЛУ, дешифратор команд, узел микропрограммного управления, узел управления обменом;

- не позволяют наращивать разрядность обрабатываемых слов каскадированием;

- шины данных, адреса, управления – мультиплексируемы.

2) Однокристальные микро-ЭВМ (ОМЭВМ) отличаются тем, что:

- кроме микропроцессора, кристалл включает в себя обрамление: ГТИ, контроллер прерываний, порты, таймер, ОЗУ, буфер команд;

- их применение очень просто (например, контроллер KBD в РС):

- вследствие низкой тактовой частоты, производительность ОМЭВМ невелика, но они и не предназначаются для высокоскоростных операций.

3) Секционные микропроцессоры характерны тем, что:

- допускают наращивание разрядности объединением одноименных линий нескольких чипов одинакового назначения;

- дезинтегрированы на отдельные компоненты АЛУ и ИМС обрамления;

- позволяют наращивать разрядность шин данных, адреса, АЛУ и объем подключаемой оперативной памяти:

- могут работать в разных системах команд, в соответствии с прошивкой микропрограмм.

Персональные компьютеры, в подавляющем большинстве выполняются на однокристальных микропроцессорах. Одни их первых, разработанные фирмой IBM, выполнялись на микропроцессорах i8088, позже – на 8086. Первый АТ-компьютер был выполнен с использованием микропроцессора i80286, после разработки фирмой Intel микропроцессоров i80386 и i80486, выпускались компьютеры типа РС-386 двух модификаций, позже PC-486 в трех модификациях. Дальнейшее развитие персональных компьютеров стало возможным после разработки и выпуска нового семейства микропроцессоров типа Pentium. Сравнительные характеристики микропроцессоров семейства 80х86 и Pentium приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Сравнительные характеристики однокристальных CPU семейства 80х86.

Контрольные вопросы.

1. В чем состоят особенности архитектуры CISC микропроцессора?

2. В чем достоинства и недостатки архитектуры RISC?

3. Какая архитектура микропроцессора свободна от недостатков CISC и RISC?

4. Как работает система с архитектурой MISC?

5. В чем особенности однокристальных микропроцессоров?

6. Что такое однокристальная микро-ЭВМ?

6. В чем достоинства секционных микропроцессоров?

8. Какую разрядность адреса/данных имеют микропроцессоры i386, i486?

9 В чем основное отличие микропроцессоров типа "Pentium"?

1.4.3.2). Структурная схема и функциональный набор сигналов управления CPU i386.

Структурная схема микропроцессора i386 приведена на рисунке 1.4.

сигналы сигналы
адресов и данных: управления шиной:

/ BE [3/0] A [31/02] D [31/00] W / R #, D / C #, M / IO #,/ LOCK ADS ,/ NA ,/ BS 16,/ READY P U │
│ │──>├─────────────┤
│ B I U │ │ очередь │
│ │ │ команд 16б │
└──────────────────────────┬──────────────┘ └──────┬──────┘
│ ┌──────┴──────┐
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ ─ ─ ─ ─┐ │ I D U │
┌────────────────────┐ │ ├─────────────┤
│ │ ┌──────────────┐│ │<───────│────────>│ очередь МкК ├──┐
│ PAG │КЭШ стр.дескр.││<───┤ │ 31 x 100 бит │ │
│ │ └──────────────┘│ │ │ └─────────────┘ │
└───────────┬────────┘ │ ┌──────────────┐ │
│ │ │<───────│────────>│ E U │ │
┌────┴─────────────┴───┐ ├──────────────┤ │
│ │ ┌────────────────┐│ │ │┌────────────┐│ │
MMU │ SU │ КЭШ сегм. дескр.│ ││файл 32р Рг ││ │
│ │ └────────────────┘│ │ │└────────────┘│ │
└──────────────────┬───┘ │┌────────────┐│ │
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ ─ ─ ─ ─┘ ││ А Л У 32р ││ │
┌──────────────┐ │ │└────────────┘│ │
│ устройство │<──────┴─────────────────>│┌────────────┐│ │
│ защиты памяти│ ││сдвигат. 64р││ │
└──────────────┘ │└────────────┘│ │
микрооперации └──────────────┘ │
^ ^ ^ ^ ^ ^ │
┌────────────┴──┴──┴──┴──┴──┴────────────┐ │
│ управление микропроцессором │<───────────────┘
└──────────────────────────────────────┬─┘
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ │
│ │ │ │ │ │ │ │
PE REQ │ /ERROR │ NMI │ │ v
/BUSY /RESET INTR HOLD HLDA
└─────────────────────────────┘ └─────────┘

сигналы управления сигналы
микропроцессором арбитража

Рисунок 1.4. Структурная схема микропроцессора i386.

*) Термин ДЕСКРИПТОР в блоке MMU означает ключевое слово, описатель адреса страницы или сегмента и содержит физический адрес – эквивалент логического (математического) адреса в команде.

Описание функций блоков микропроцессора.

1. BIU (Bus Interface Unit) – устройство сопряжения с шиной. Системная шина осуществляет обмен информацией между CPU и подсистемами ВС.

2. PU (Prefetch Unit) – устройство предварительной выборки команд, представлено узлом управления конвейером команд и 16-битовым стеком команд дисциплины FIFO (First Input – First Output: первым пришел – первым вышел).

3. IDU (Instruction Decode Unit) – устройство декодирования команд, состоит из:

- декодера команд, осуществляющего дешифрацию полей команд первой ступени (определение типа и формата команды) и

- стековой памяти из 31-го 100-битовых полей, дисциплины FIFO, определяющих собственно набор микроопераций выполняемых команд. Стеки PU и IDU программно недоступны.

4. EU (Execution Unit) – устройство обработки данных, предназначено для хранения и обработки данных, выполнения команд и формирования кодов состояний CPU. EU включает в себя группу (файл)
32-битовых регистров:

1) EAX – аккумулятор;

2) EBX – адресный регистр базы данных;

3) ECX – счетчик операций цикла;

4) EDX – 64-Кбайтный адрес порта ПУ, либо адрес хранения старшей половины операнда в командах умножения и деления;

5) AX, BX, CX, DX – регистры хранения адресов 16-битовых операндов;

6) AL, AH, BL, BH, CL, CH, DL, DH – регистры хранения адресов 8-битовых операндов;

7) ESP и EBP – группа 32-битовых регистров указателей стеков для работы со стековыми сегментами;

8) ESI и EDI – регистры индексов, для хранения смещения адреса относительно базы при чтении или записи в память;

9) SP, BP, SI, DI – регистры для хранения 16-битовой информации,

10) EFLAGS – 32-битовый регистр флагов, включающий в себя:

- 6 статусных флагов (устанавливаются по результатам выполнения соответствующих операций);

- 2 управляющих флага, разрешающих включение режима VM86 и игнорирования (блокировки) ошибок при отладке программы по шагам;

- 2 системных флага, используемых в режиме РМ,

11) EIP (Instrucktion Pointer) – 32-битовый регистр счетчика команд (IP – 16-битовая секция счетчика команд). Счетчик команд программно недоступен.

12) CR0 – СR3 – три 32-разрядных регистра управления, которые, совместно с системными регистрами, сохраняют информацию о состоянии CPU во время выполнении задачи. СR1 не используется.

Механизм отладки программ в микропроцессоре i386 позволяет:

1) введение в программу точек разрыва;

2) пошаговый (покомандный) режим выполнения программы;

3) программирование четырех адресных контрольных точек останова (DR0 – DR3). В реализации режима останова участвуют также регистры состояний DR6 (статусный) и DR7 (управляющий) из регистра EFLAGS. Оба регистра – TR6 и TR7 используются также для самодиагностики CPU. Режим самодиагностики запускается по заднему фронту сигнала RESET при условии, что сигнал /BUSY = L (Low – нижний уровень).

5. SU (Segmentation Unit) – блок сегментации, осуществляет первую ступень преобразования адресов, и состоит из 16-битовых регистров для хранения базовых текущих адресов, или сегментов в RM, либо селекторов в РМ и содержит:

1) CS (Code Segment) – селектор или сегмент кода;

2) SS (Stack Segment) – начало стекового сегмента;

3) DS, ES, FS, GS (Data Segments) – регистры сегментов данных.

Для организации режима виртуальной памяти в CPU i386 имеется механизм, включающий системные регистры:

1) GDTR (Global Descriptor Table Register) – регистр глобальной дескрипторной таблицы,

2) LDTR (Local Descriptor Table Register) – регистр локальной дескрипторной таблицы,

3) IDTR (Interrupt Descriptor Table Register) – регистр таблицы дескрипторов прерываний,

4) TR (Task Register) – регистр селектора сегмента состояния задачи (TSS).

6. PAG (Paging Unit) – блок страничной организации памяти. Это вторая ступень (первая – SU) для доступа к страничным ячейкам при виртуальном преобразовании адреса. SU и PAG входят как независимые узлы в MMU (Мemory Managment Unit).

ПРИМЕЧАНИЯ по тексту:

1) полярность активности логического сигнала может быть прямой (положительной) или инверсной (отрицательной).

ПРЯМЫЕ активные сигналы в таблицах и на схемах обычно не имеют особых отметок или, в исключительных случаях, имеют индекс high перед именем сигнала.

ИНВЕРСНЫЕ активные сигналы имеют равносильные обозначения:

- минус перед именем сигнала,

- знак "/" (слэж) перед именем сигнала (например, /ERROR),

- надчеркивание,

- знак # после имени (например, BUSY#), или

- индекс L (Low) после имени;

2) для принятой системы счисления за цифровым обозначением следует буквенный указатель:

- h (hex) - шестнадцатеричная,

- d (decimal) - десятичная, или

- b (binare) - двоичная система счисления;

3) размещение байтов в регистрах различно: обычно информация о составе байтов, заключенных в ячейки памяти, разделяется двоеточием, а при акцентировании конкретного бита, входящего в состав регистров или шин, принято обозначение бита (разряда) – его номером в квадратных скобках (например, EFLAGS[17]).

Назначение линий и сигналы интерфейса CPU.

D[31/00] (Data) – двунаправленная шина данных с тремя состояниями. Сигналы шины синхронные.

BS16# (Bus Size 16) – вход, связывающий CPU с 16-битовой шиной (режим i286). Если операнд – двойное слово, то BIU переключается на трансляцию в линию D[15/00] двух слов за два цикла обмена. Сигнал синхронный.

ВЕ0# - ВЕ3# – выходные стробы данных , линии с тремя состояниями. Сигналы показывают, какие байты 32-разрядной шины используются в текущей передаче. Вырабатываются при внутренней дешифрации двух младших разрядов адреса А[01/00] (см. Таблицу 1,2. Коды передачи байтов по системной шине).

А31-А0 – выходные адресные линии с Z-состоянием, обеспечивающие физическую адресацию памяти или УВВ.

W/R# (Write/Read) выходные линии с Z-состоянием, определяющие

D/C# (Data/Control) тип цикла шины . Сигналы действительны только

M / IO # ( Memory / Input - Output ) при активном уровне /ADS=L.

ADS# (Address Strobe) – выходстробаадреса. Линия с Z-состоянием, по которой поступает сигнал к ВУ, о том, что начался цикл шины, определяемый сигналами управления W/R#, M/IO#, D/C#, /BE0- /BE3 и адресными линиями A[31/02] и адрес на них достоверен.

RESET (сброс) – асинхронный вход, останавливающий выполнение любой операции в CPU и переводящий его в состояние сброса. Сигнал определяется CPU по уровню и имеет наивысший приоритет. Это состояние реализуется на 15 и более периодов CLK2, но за 78 и более периодов CLK2 до запуска самодиагностики. На время действия RESET сигналы на входах CPU игнорируются, а выходы переводятся в пассивное состояние: /ADS=H, D[31/00]=Z, A[31/02]=H, /BE0-/BE3=L, W/R#=H, M/IO#=L, /LOCK=H, HLDA=L.

READY (готов) – синхронный сигнал, указывающий, что текущий ЦИКЛ ШИНЫ завершен, байты, определяемые сигналами /ВЕ0-/ВЕ3, /BS16, приняты или переданы. В первом такте цикла сигнал игнорируется, в остальных – анализируется, пока не станет активным. Внешнее оборудование, не способное закончить обмен за 2 такта, продлевает цикл, удерживая CPU в состоянии Time Out.

/NA (Next Addres) – синхронный сигнал для запроса следующего адреса, сообщает CPU, что система готова принять от него новые значения адресов и сигналов управления циклом обмена, даже если завершение текущего цикла шины не подтверждено сигналом /READY.

CLK – внутрипроцессорная частота CPU i386. Она вдвое ниже подводимой к входу CLK CPU от генератора тактовых импульсов. Для каждого периода CLK2 есть две фазы – Ф1 и Ф2, внутренней синхронизации микроопераций в CPU, но они могут быть синхронизированы с задним фронтом RESET. Различаются такты Ts и Tc, составляющие цикл обмена.

/LOCK – выходная шина с Z-состоянием, определяет тип цикла шины с блокировкой. Активизируется установкой /ADS=L в начале цикла шины с конвейеризацией адресов, или в циклах INTA. Применяется в мультипроцессорных системах и сигнализирует о том, что CPU выполняет операцию с несколькими циклами шины, которая не должна прерываться. Сигнал вырабатывается автоматически, при выполнении префикса /LOCK в циклах INTA и при смене страничных таблиц.

HOLD (Bus Hold Request) – запросзахваташины. Синхронный входной сигнал, устанавливаемый другим CPU, или интеллектуальным УВВ для работы с шиной. Анализируется фронтом CLK2 и, пока HOLD активен, CPU следит за его уровнем, устанавливая в конце цикла обмена ответный сигнал HLDA.

HLDA (Bus Hold Asknowlege) – синхронный выход подтверждения передачи управления шиной другому, активному CPU или УВВ. В ответ на запрос HOLD, CPU переходит в состояние подтверждения захвата. На входе NMI возможно появление только одного запроса, запоминающегося в CPU для обработки его после снятия сигнала HOLD.

INTR (Interrupt –прерывание) – асинхронный вход, инициирующий последовательность прерывания в CPU, аналогичен для любого i80x86 CPU.

NMI (Non Maskable Interrupt) – немаскируемое прерывание, сигнализирует CPU о появлении критической ошибки в ВС, не позволяющей правильно продолжить операцию (например, – ошибка адресов или данных в ОЗУ). Текущая программа прерывается и ситуация обрабатывается специальной программой для принятия решения (перезапрос данных, повторное выполнение операции, или сигнализация о неработоспособности ВС).

PE REQ (Co-processor Request) – запроспрерыванияот FPU. Асинхронный вход, указывающий, что FPU нужен обмен с памятью (сам FPU обменом не управляет). CPU отвечает сигналом синхронизации, после чего FPU выполняет циклы обмена между локальной шиной и портами регистров данных FPU.

/BUSY (занят) – асинхронный вход, анализируемый по уровню командой WAIT, автоматически выдаваемой CPU, при обнаружении активного входа /BUSY=L (признак наличия ошибки, особой ситуации, или выполнения FPU очередной операции). На время активизации сигнала /BUSY, CPU выполняет такты ожидания. Если во время среза RESET сигнал /BUSY=L, то CPU выполняет процедуру самодиагностики.

ERROR (ошибка) , – асинхронный вход, анализируемый по уровню. Указывает, что при выполнении команды в FPU сформирован незамаскированный в регистре состояния FPU код ошибки. CPU вырабатывает прерывание типа 10h, но чаще – аппаратное прерывание типа 75h по линии IRQ13.

Какие именно байты (A, B, C или D), из четырех возможных, машинного слова будет передаваться по системной шине ISA за один цикл обмена, определяются кодами управляющих сигналов ВЕ3# - BE0#. Коды передачи байтов по системной шине приведены в таблице 1.2.

Возможные типы циклов шины приведены в таблице 1.3. Символ #, стоящий после названия сигнала означает, что активный уровень сигнала – нижний. Сигнал М означает обмен с DRAM, IO – обмен с портом, D – передача данных, С – передача команды, W – запись, R – чтение DRAM или порта соответственно.

Таблица 1.2. Коды передачи байтов по системной шине.

/BЕ3 /ВЕ2 /ВЕ1 /ВЕ0 БАЙТЫ В 32-БИТОВОМ СЛОВЕ ДАННЫХ 1 1 1 0 - - - A
1 1 0 1 - - B -
1 0 1 1 - C - C
0 1 1 1 D - D -
1 1 0 0 - - BA
1 0 0 1 - CB -
0 0 1 1 DCDC
1 0 0 0 - CBA
0 0 0 1 DCBA
0 0 0 0 DCBA

Таблица 1.3. Типы циклов шины.

M/IO# D/C# W/R#
0 0 0 - подтверждение прерывания
0 0 1 - не используется
0 1 0 - чтение данных из УВВ
0 1 1 - запись данных в УВВ
1 0 0 - чтение команды из ОЗУ
1 0 1 - 1) останов: Addr=2, /BE0-/BE3=1101, A[31/2]=0
- 2) отключение: Addr=0, /BE0-BE3=1111,A[31/2]=0
1 1 0 - чтение данных из ОЗУ
1 1 1 - запись данных в ОЗУ

Из таблицы типов циклов шины видно, что циклов шины может быть восемь:

1) чтение ОЗУ без блокировки шины (/LOCK=H),

2) чтение ОЗУ с блокировкой шины (/LOCK=L),

3) запись в ОЗУ без блокировки шины (/LOCK=H),

4) запись в ОЗУ с блокировкой шины (/LOCK=L),

5) чтение из УВВ или регистров FPU,

6) запись в УВВ или в регистры FPU,

7) подтверждение прерывания,

8) цикл останова или выключения.

Но основных, обменных циклов, – четыре: чтение ОЗУ, запись в ОЗУ, чтение порта ввода-вывода и запись в порт ввода-вывода. Остальные циклы шины либо варианты основных (с блокировкой или без блокировки), либо служебные, а не обменные.

1.4.3.3) Конвейерная обработка команд в CPU

Шесть автономных блоков микропроцессора i386 составляют систему конвейерного выполнения команд.

Исполнение команды, в общем виде, состоит из 6 тактов:

ФАК──>ВК──>ФАО──>ВО──>ОП──>ЗпРез

здесь:

ФАК – формирование адреса команды,

ВК – выборка команды,

ФАО – формирование адреса операнда,

ВО – выборка операнда,

ОП – выполнение текущей операции,

ЗпРез – запись результата операции.

Конвейерное выполнение программы – это когда в разных автономных блоках микропроцессораодновременно выполняются разные такты нескольких смежных команд. Например, ЗпРез команды n-1 , собственно ОП команды n , ФАК команды n+1 , ВК команды n+2 и ФАК команды n+3 .

Обработка команды в CPU i386, в свою очередь, состоит из четырех этапов:

1) преобразование адресов при сегментированной или страничной организации памяти (выполняется в блоке MMU);

2) выборка полей команды из ОЗУ и накопление их в стеке очереди команд (выполняется в PU);

3) дешифрация команд из очереди и накопление дешифрованных кодов операций в стеке декодированных команд (выполняется в блоке IDU);

4) выполнение операции в EU, под микропрограммным управлением, и формирование статусных флагов.

Для ускорения выполнения команд в CPU, моделей i386 и старше, организован конвейер команд :

- каждая из команд в свое время находится в стадии выборки, хранения, дешифрации, формирования адреса и – выполнения;

- для смежных команд эти стадии (такты выполнения) обычно выполняются разными узлами CPU одновременно, в режиме совмещения, если соответствующие узлы микропроцессора в это время свободны;

- работа CPU, по отношению к системной магистрали, синхронна, а между узлами BIU, PU, IDU, EU – асинхронна.

Счетчик команд EIP в EU автоматически модифицирует адрес следующей команды по словам или двойным словам, в зависимости от длины команды, задаваемой входом /BS16. Информация в EIP, системных и сегментных регистрах блока MMU используется при формировании физического адреса для выборки следующей команды.

Одновременно с адресным формированием в EU, в работе находится одна из команд очереди в IDU, в которое, в свой черед, подгружается команда из PU.

Обмен данными между CPU и системой осуществляет BIU по запросу от EU, либо при наличии свободного места в очереди команд.

Если EU выполняет длинную команду, не требующую новых данных из системы, а узлы очередей заполнены, то BIU может находиться в, так называемом, холостом цикле.

В многопроцессорных системах, когда шина передается от одного ведущего модуля другому, отключаемые модули переводят свои шины в состояние высокого импеданса – Z-состояние. В это время отключенный от шины CPU, или контроллер имеет возможность автономно выполнять все команды, находящиеся в стеках, до тех пор, пока CPU не потребуется шина для обмена. Если же в это время шина все еще занята, то CPU прекращает работу, находясь в состоянии ожидания (Time-Out), пока шина не освободится (линия /READY=H, т. е. пассивна).

Контрольные вопросы.

1. Из каких тактов состоит выполнение команды в CPU?

2. Что такое цикл шины в РС?

3. В чем смысл сигнала HOLD?

4. В чем смысл сигнала HLDA?

5. Как реагирует микропроцессор на сигнал INTR?

6. В чем особенность сигнала NMI?

1.4.3.4) Режимы работы микропроцессора i386

CPUi386 допускает работу в четырех режимах:

- RM – реальном,

- РМ – защищенном,

- VM-86 – виртуальном и

- РРМ– страничном.

1. RM – режим реальной адресации, соответствует работе системы i8086 и используется только в MS DOS. Область адресов, шириной в 1 Мбайт, не защищена, реализовано до 20 адресных линий (из 32-х, возможных для микропроцессора i386), режим однопользовательский. Для работы с 32-разрядными операндами и реализации дополнительных режимов адресации используется префикс переадресации, двухбайтовый адрес не превышает границы сегмента в 64 Кбайт (0000 - FFFF), иначе фиксируется особая ситуация с прерыванием типа 13h. Для доступа к 1 Мбайт адресного пространства используются линии адреса [A19-А02] и /BE0 – /BE3. Страничный механизм доступа к памяти отключен, исполнительный адрес всегда соответствует физическому , все сегменты могут находиться в состоянии записи, считывания или выполнения.

2. РМ – защищенный режим, или режим виртуальной адресации. При включении РС всегда устанавливается режим RM, а для перевода его в РМ используются системные команды LMSW и SMSW. При установке бита PF=1 в MSW, CPU переходит в РМ. В режиме РМ реализуется доступ к 4 Гбайт ОЗУ в 32-битовом пространстве исполнительных адресов, а доступ к 64 Тбайт ОЗУ реализуется в логическом (виртуальном) адресном пространстве. Виртуальная адресация – это способ организации доступа к информации, большая часть которой располагается не в физическом ОЗУ, а во внешней (дисковой) памяти, откуда она, по мере необходимости, перекачивается в ОЗУ (swapping), но программа видит иллюзию размеров ОЗУ в 64 Тбайт. Предусмотрена защита памяти по многоуровневому принципу защиты ОС и прикладных программ и реализуется мультипрограммность . Для обратного перевода из режима РМ в RM, команды LMSW и SMSW не используются, а система должна быть перезагружена либо аппаратно ("холодный" рестарт), либо аппаратно-программно – через порты 64h и 60h контроллера 8048 (KBD), командой OUT и далее, через сигнал RS и узел Shut Down, – к входу RESET CPU, как при "теплом" рестарте, осуществляемом нажатием комбинации клавиш Ctrl+Alt+Del.

Для программного перехода из режима PM в RM может быть также использована ассемблерная команда MOV CR0 (LCR0).

3. VM-86 – это режим виртуальной адресации i86. Режим устанавливает исполнительную среду i8086 внутри многозадачной среды PM CPU i386. При этом поддерживается выполнение всех программ для предыдущих поколений микропроцессоров ix86. Сначала, в рамках VM86, формируется 20-разрядный линейный адрес по системе RM, но включается механизм страничной адресации и система двухуровневой защиты памяти. Адрес, шириной в 1 Мбайт, может быть разбит на 256 страниц по 4 Кбайт каждая и размещен в физическом адресном пространстве до 4 Гбайт. В этом объеме адресов ОЗУ можно, в окнах (frame) по 1 Мбайт, расположить множество копий MS DOS, или других ОС и пользовательских программ, представляющих отдельные виртуальные машины, работающие в многозадачном режиме.

Вход и выход в режим VM86 возможен следующими способами:

- загрузкой регистра флагов EFLAGS [17];

- переключением с задачи на задачу с использованием сегмента состояния задачи (TSS);

- в процедуре прерывания (команда IRET);

- ассемблерной командой POPF.

4. РРМ – режим страничной адресации. Это режим управления памятью, позволяющий разделить большие объемы информации на компактные блоки по 4 Кбайт.

Для реализации режима РРМ в CPU i386 дополнительно включается страничный механизм, транслирующий линейный адрес – в физический.

Переход из RM в РРМ – программный, командами LMSW, SMSW, MOV CR0, MOV CR3. Обратный переход осуществляется либо перезагрузкой, либо программно, с помощью бита 31 в регистре CR0.

Контрольные вопросы.

1. Что представляет собой и для чего предназначен режим RM CPU i386?

2. Что такое виртуальная адресация в режиме РМ CPU i386?

3. Для чего предназначен режим VM86 CPU i386?

4. Какой режим устанавливается при включении CPU i386?

5. Как можно перейти из режимов РМ, РРМ в режим RM?

1.4.4 Математический сопроцессор

Равнозначны следующие аббревиатуры обозначения математического сопроцессора:

NDP (Numeral Data Processor),

MCP (Math Co-Processor),

FPU (Floating Point Unit),

APU (Accelerate Processor Unit).

Для однозначности – примем обозначение FPU.

FPU выполняет следующие функции:

- операции с плавающей точкой;

- вычисление тригонометрических функций;

- логарифмирование;

- работу с двоично-десятичными числами.

Эти операции выполняются FPU по собственной микропрограмме, значительно (до 150 раз) быстрее, чем CPU, хотя CPU может их выполнять и сам, при наличии программ-эмуляторов режима совместимой с FPU работы, но медленнее. Так что FPU необязателен, и целесообразен только при больших объемах вычислений с плавающей точкой и т.п. Впрочем, успехи технологии СБИС позволяют интегрировать FPU прямо в кристалл CPU, так что современные CPU, начиная с i486 и Pentium, имеют встроенный в CPU математический сопроцессор.

FPU поддерживает вещественные, целые и двоично-десятичные числа, представленные в формате с плавающей точкой:

(-1)^S [1.f₁ – f_(23,52,63) ]*2^{[E – (127,1023,16383)]}

где

S = 0 – знак мантиссы "+",

S = 1 – знак мантиссы "–",

f – мантисса,

Е – экспонента,

(23, 52, 63) – размеры поля дробной части мантиссы действительных данных в коротком, длинном и временном формате операндов с FP, соответственно,

(127, 1023, 16383) – величины смещения, вычитаемые из характеристики (характеристика включает в себя знак порядка) для представления истинного порядка.

Имеются два поколения FPU:

- 8087, 80287 - имеют неполное соответствие существующему стандарту IEEE-75-4-1985;

- 80387, 80387DX ,80387SX ,80287A ,80287XL, 80C187, 80487SX – стандартизованы и их скоростные характеристики выше.

FPU i387 может работать с CPU синхронно или асинхронно, поэтому FPU подбирается для совместной работы с CPU на частотах, равных, или выше рабочей частоты CPU.

FPU i287 тоже может использоваться в РС 386, но имеет асинхронный интерфейс с CPU.

FPU i387, для выравнивания скорости интерфейса FPU и скорости работы локальной шины данных CPU, имеет буфер данных (DB), стек типа FIFO и, в отличие от i287, работает без тактов ожидания. Обобщенная структурная схема FPU приведена на рисунке 1.5. Фирма WEITEK Corp. производит сопроцессоры WTL3167, WTL4167 (для CPU 386 и 486 соответственно) – самые скоростные модели, однако несовместимые с FPU классической архитектуры, как по системе команд, так и по способу их загрузки. Для их работы требуются специальные программные средства поддержки, фирм Metaware или Microway.

Фирма Cyrix производит менее скоростные, но самые точные FPU 83D87 (для i386DX), 83S87 (для i386SX), 82S87 (для i286). Это FPU классической архитектуры, но их производительность на 25% выше, чем i387, так как все критичные по времени процессы реализованы жесткой логикой (аппаратные умножитель и АЛУ мантиссы, 90-разрядные регистры и т. д.). Энергопотребление их втрое ниже, чем i387.

При объединении CPU i386 c FPU i387, в адресное пространство CPU добавляются адреса портов ввода-вывода регистров данных FPU i387: 800000F8–800000FFh (адреса портов FPU F8–FFh).

1.4.4.1) Структурная схема математического сопроцессора

Обобщенная структурная схема FPU приведена на рисунке 1.5.

┌─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┬ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
32 Exp Bus 64 Fraction Bus CWR │ │ EM │<───>││ ││<──>│ PS │
│ ├────────────┤ │ └──────────┘ ││ ││ └────────┘ │
│ SWR │ ││ ││ ┌────────┐
│ └─────┬──────┘ │ ┌──────────┐ ││ ││<──>│ AM │ │
│ │ MCU │ ││<─>││ └────────┘
D [31┌─────┴──────┐────>│ │ ││ ││ ┌────────┐ │
/00]│ │ │ └──────────┘ ││ In -││<──>│ TR │
───>│ DB │ ┌──────────┐ t 32 ││ ter ││ └────────┘ │
│ │ │────>│ OQ │<───>││ fa -││
└─────┬──────┘ │ │ ││ ce ││ │
│ │ │ └──────────┘ ││ ││
sta - │<────────>┌────────────────┐ ││ ││ │
tus ┌─────┴──────┐ │ │ TW (2 bit )81,80│ ││ ││
───>│ ABT │ └────────────────┘ ││ ││ │
add -├────────────┤ │ 79 St 0- St 7 \/ \/ 00
ress │ EP │ ┌──────────────────────────────────────┐ │
───>│ 2 x 32 │ │ │ RS 7 │
│ └────────────┘ ├──────────────────────────────────────┤ │
│ │ 6 │
│ ├──────────────────────────────────────┤ │
│ │ Register Stack 80 bits 5 │
│ ├──────────────────────────────────────┤ │
│ ..............................
│ ├──────────────────────────────────────┤ │
│ │ 0│
│ └──────────────────────────────────────┘ │
CU │ NEU
└─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘

Рисунок 1.5. Структурная схема FPU.

Обозначения на схеме:

CU – (Control Unit) устройство управления,

NEU – (Numeral Execution Unit) устройство цифровых процедур,

СWR – (Control Word Register) регистр управляющего слова,

SWR – (Status Word Register) регистрсловасостояния FPU,

DB – (Data Buffer) буферданных,

АВТ – (Addresing & Bus Tracking) адресация и слежение за состоянием системной шины.

EP – (Execution Pointer) указатель процедуры шины,

ЕМ – (Exponent Module) модуль управления порядками чисел с FP,

MCU – (Microcode Control Unit) устройство микроуправления,

OQ – (Operands Queue) очередь операндов,

TW – (Tag Word) словарь тегов и dirty bit в RS,

RS – (Register Stack) стековые регистры,

PS – (Programmable Shutter) программируемый сдвигатель,

AM – (Arithmetic Module) модуль арифметических процедур,

TR – (Temporary Registers) регистры временного хранения промежуточных данных.

1.4.4.2) Работа и связь FPU с CPU .

В системе локальной шины, обменом всегда управляет CPU: – формирует адреса выборки команд и операндов, при обмене данными между FPU и DRAM – считывает информацию из ОЗУ и регистров FPU. FPU i387 подключен к CPU параллельно в 32-разрядном формате шины, а i287 - в 16-разрядном.

Взаимодействие FPU с системой осуществляется посредством команд. Все команды, транслируемые в CPU, параллельно поступают и в FPU, но команды FPU имеют особый код ESC (11011).

При встрече в программе команды ESC, выполняются следующие процедуры:

1) CPU записывает в свои регистры: код операции FPU, адреса команды, операнда и направление передачи;

2) в режиме РМ, CPU обеспечивает защиту информации и анализирует линию /BUSY от FPU;

3) если /BUSY=L, CPU переходит в ожидание, так как результат выполнения команды ESC может быть востребован очередной командой;

4) CPU подготавливает линии локальной шины для обмена с FPU;

5) FPU начинает выполнение очередной команды;

6) если FPU требуются данные, он выставляет на линию PE сигнал REQ=H, и тогда, –

7) CPU, имея все сведения для обмена на своих регистрах, активизирует линии /ADS, W/R#, Addres, М/IO#.

Обмен данными с FPU занимает не менее двух циклов CPU (по два внутрипроцессорных такта Ts и Tc, по два такта синхронизации CLK каждый, т. е. всего 8 тактов CLK2).

В первом цикле, CPU либо считывает данные из ОЗУ, запоминая их в своих регистрах, либо данные из арифметических регистров FPU (также запоминая их), теперь – для записи в ОЗУ.

Во втором цикле обмена, CPU, через сигналы своего внешнего интерфейса, записывает данные из своего внутреннего регистра в ОЗУ, либо через порты FPU – в арифметические регистры FPU.

Подключение математического сопроцессора.

Для подключения FPU, системная плата имеет или 40-контактный FPU-chip-socket для i287, или мозаичную 68-контактную розетку для i387, или 114-контактную розетку комбинированного применения для FPU WEITEK.

Если контакты на панели розетки расположены в два ряда – это розетка для FPU фирм INTEL, Cyrix, IIT, ULSI, AMD. Если в три ряда – это для FPU фирмы WEITEK. Могут быть две розетки, или панель типа EMC (Expanded Math Coprocessor), универсальные – и для INTEL, и для WEITEK.

При установке FPU в розетку следует принимать меры предосторожности (CMOS очень чувствительна к статике):

- перед установкой следует временно закоротить специальной гребенкой все выводы чипа FPU;

- заземлить гребенку;

- заземлить корпус РС (вилка питания РС должна быть выключена из сети питания);

- работать следует всегда с антистатическим браслетом на руке;

- только после установки FPU в схему можно снять гребенку.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение математического сопроцессора?

2. Какой формат имеют операнды при работе РС с плавающей точкой?

3. Как осуществляется процедура обмена данными FPUcDRAM?

4. Как конструктивно могут быть исполнен математический сопроцессор?

5. Какую внутреннюю разрядность данных имеет FPU?

6. Каков порядок подключения FPU к системной плате?

1.4.5 Подсистемы системной платы

На системной плате PC386DX развернуты следующие подсистемы:

1) подсистема DRAM, включающая в себя:

- контроллер 82С302,

- четыре банка накопителей с чипами 41256, или 411000, или 44256, объемом 2, 4, 8, 10 Мбайт соответственно, с возможностью расширения до 16 Мбайт, при использовании модулей SIP, SIMM, или карты расширения ОЗУ в слоте. Время доступа в подсистему DRAM составляет 70-80 нсек;

2) подсистема ввода-вывода, состоящая из карт контроллеров, или адаптеров соответствующих УВВ;

3) подсистема ROM BIOS, организованная двумя чипами 27256, младшего и старшего байтов, по
32 Кбайт, имеющая возможность расширения до 128 Кбайт;

4) через контроллер типа 8042 поддерживается двунаправленный интерфейс связи с KBD;

5) в зависимости от модификации, на SB устанавливаются различные элементы конфигурирования (переключатели, или перемычки), например для:

- разрешения режима конвейеризации адресов,

- выбора типа сопроцессора FPU,

- разрешения изменений содержания CMOS RAM,

- выбора рабочей частоты SB,

- разблокировки аппаратного сброса,

- выбора типа дисплея (MDA, EGA, VGA, SVGA) и т. д.

Вычислительная система поддерживается:

- 16-ю линиями запросов прерываний IRQ,

- 7-ю линиями запросов DRQ на ПДП,

- тремя каналами таймера,

- схемами аппаратного сброса и окончания работы CPU (RESET и Shut Down),

- стандартная частота шины ISA по вводу-выводу составляет 8 МГц;

1.4.5.1) Подсистема оперативной памяти

DRAM управляется контроллером 82С302. Контроллер поддерживает режим конвейеризации адресов, используя внутренние защелки, сохраняющие адрес и состояние для текущей выборки.

Специальные сигналы /IO2XCL и XAO разрешают доступ к регистрам конфигурации контроллера для хранения конфигурации DRAM. Это регистры:

1) областей теневой памяти (Shadow RAM);

2) используемой памяти на SB и картах расширения;

3) количества банков памяти, доступных из системы;

4) области расширенной (Extended) памяти – выше 640 Кбайт;

5) области дополнительной (Expanded) памяти – выше 1Мбайта.

6) числа тактов ожидания при доступе к базовой (Conventional) и расширенной памяти и к ROM BIOS;

7) доступности дополнительной памяти;

8) манипуляции с паритетным контролем (назначить/отменить);

9) разрешения страничного режима организации памяти в РРМ с чередованием банков.

Принцип страничной организации памяти с чередованием банков.

Обычная схема чтения информации из ОЗУ следующая:

1) на МА[9/0] через мультиплексор адреса выставляются два кода: один – для доступа к строке матрицы памяти, (со стробом /RAS n ), а за ним, – для доступа к столбцу, (со стробом /CAS m ). Между стробами фиксируется временная задержка в соответствии с требованиями конкретных ИМС памяти;

2) элементарная ячейка DRAM при чтении стирается и, для ее восстановления, считанная информация вновь записывается в эту же ячейку через усилители регенерации, расположенные внутри чипа памяти, для чего требуется время, в течение которого доступ к ОЗУ невозможен.

В оптимальном варианте, память организована с четным числом банков, разбитым каждый на страницы, например, по 4 Кбайт. Тогда, при последовательном доступе к четырем банкам, стробы /RAS0 – /RAS3 формируются только в начале выборки очередной страницы, оставаясь затем в активном L-уровне, поэтому стробы /CAS0 – /CAS3 не имеют задержек при каждом очередном запросе банка. Кроме того, каждая последующая выборка относится к следующему банку, а информация в предыдущем банке за это время успевает восстановиться. В контроллере 82С302 организовано программное управление временем задержки между /RAS и /CAS, в зависимости от организации памяти. При невозможности своевременного доступа к информационной ячейке (еще не завершен цикл регенерации информации), контроллер 82С302, установкой сигнала /IOCHRDY = L к контроллеру 82С301, вводит цикл ожидания.

Регенерация DRAM восполняет каждые 3 мсек потерю энергии в накопительных емкостях памяти, происходящую из-за естественных утечек. Для этого каждые 15 мксек (шаг регенерации) на локальные адресные линии от счетчика регенерации, расположенного в буфере старшей части адреса ABF (82А303), устанавливается очередной код строки. Затем принудительно задается команда чтения памяти, разрешая доступ к строкам /RAS[3/0] =L и запрещая - к столбцам (CAS[3/0] =H). Это препятствует поступлению информации DRAM в шину данных. При этом все модули DRAM читаются по адресу данной строки одновременно , восстанавливаясь через усилители регенерации. Так, через каждые 15 мксек в течение
3-х мсек восстанавливается вся RAM.

Процесс регенерации – самый приоритетный, подчиняющийся сигналу управления REFRESH = L.

Цикл "обмена", отводимый под регенерацию, переводит систему в холостое состояние, что является существенным недостатком DRAM, но высокая информационная емкость, низкая стоимость и малое энергопотребление, характерное для динамической памяти, дают решающее преимущество DRAM перед SRAM для использования ее в качестве оперативной.

Оперативная память под MS DOS подразделяется на базовую, расширенную и дополнительную. Стандартное распределение информации в оперативной памяти приведено в таблице 1.4.

В карте адресного пространства ОЗУ, в пределах 1Мбайта есть лишь две области, принадлежащие к DRAM в DOS: 640 Кбайт базовой и 64 Кбайт – зона EMS, страницы которых доступны узлам контроллера и программе. Область адресов VIDEO-памяти находится в той же памяти, но конфликтов при обращении к видеопамяти не возникает, т. к. доступ к ней осуществляется по стандартной схеме управления и адресации, а конфликт устраняется аппаратно, узлом адресных линий A[25/17] контроллера с переносом видео-RAM в область расширенной памяти.

При рассмотрении таблицы распределения памяти следует обратить внимание на то, что область высшей памяти, объемом в 64 Кбайт с адресами от 100000h до 10FFFFh расположена в области расширенной памяти, но доступна и под DOS.

Таблица 1.4. Карта стандартного распределения памяти под MS DOS

────────────┬─────────────────────┬───────────┬─────────────────
ширина │ назначение │ область │ размещение
адресного │ области │ адресов │ и наименование
пространства│ адресов │ │ области
────────────┼─────────────────────┼───────────┼─────────────────
Стандартная или базовая память
1К │ InterruptArea │ 000000 │
│ векторы прерываний │ 0003FFh │
│ │ │
256 байт │ BIOSDataArea │ 000400 │
│ область данных BIOS │ 0004FFh │
│ │ │
512 байт │ SystemDataArea │ 000500 │ расположена
│ область данных DOS │ 0006FFh │ в DRAM
│ │ │
около 70 К │ Ядро системы DOS: │ 000700 │ Conventional
│ V 3.2 - 70 K │ │ Memory,
│ V 3.3 - 67 K │ │ стандартная
│ V 5.0 - 118 K (60 K │ │ или базовая
│ в Conv.Mem.,осталь- │ │ память дос-
│ ное - в HMA) │ 01163Fh │ тупная MSDOS
│ │ │
около 570К │ Область стековой │ │
│ памяти, транзитный │ │
│ модуль СОМ.COM и │ │
│ пользовательская │ 011460 │
│ область │ 09FFFFh │
┤ │ │
итого 640Кбайт │ │
─────────────┼─────────────────────┴───────────┴─────────────────
Верхняя память ( U р per Memory Area ):
128 К │ VideoRAM 0A0000 экранная
│ (ShadowRAM) │ 0BFFFFh │ память, рас-
│ │ │ положена в
│ │ │ видео подсистеме
│ │ │
64 К │ Пространство "лову- │ 0С0000 │
│ шек" BIOS для │ │ расположена
│ УВВ (Shadow RAM) │ 0СFFFFh │ в ПЗУ УВВ
│ │ │
64 К │ Организация специ- │ 0D0000 │
│ фикаций LIM EMS │ │
│ 3.2/4.0 │ │
│ - 4 cегмента │ │
│ (frame) по 16 К │ │ расположена
│ (Shadow RAM) │ 0DFFFFh │ в подсистеме DRAM
│ │ │
128 K │ Область, выделенная │ 0Е0000 │ расположена
│ под BIOS (Shadow │ │ в ПЗУ подсистеме
│ RAM)-копия ROM BIOS │ │ ROM BIOS
│ для RМ │ 0FFFFF │ (две послед-
│ │ │ ние секцииROM) 64 К │ High Memory Area 100000 часть расши-
│ (HMA) - высшая па- │ 10FFFFh │ ренной (Exten-
│ мять, в DOS 5.0 - │ │ ded) памяти,
│ хранит часть ядра │ │ доступна для
│ системы │ │ DOS 5.0 и выше
│ │ │
15168 K │ Expanded Memory │ 110000 │ RAM - память,
│ (дополнительная │ │ доступная для
│ память), с помо- │ │ системных
│ щью программ- │ │ программ в РМ.
│ администраторов │ │
│ (менеджеров) │ │
│ используется в RM │ │
│ как Extended │ FDFFFFh │
│ Memory │ │
│ │ │
│ │ │
итого 15232 Кбайт │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │ Область копи-
128 К │ BIOS │ FE0000 │ рования BIOS
│ │ FFFFFFh │ в PM (две пос-
│ │ │ ледние секции
│ │ │ ROM BIOS)
_________________________________________________________________

всего 16 Мбайт
_________________________________________________________________

Часто возникает путаница между расширенной памятью (от 640 Кбайт до 1 Мбайт) и отображаемой памятью. К расширенной памяти, от 640 Кбайт и до 16 Мбайт, можно обращаться по 24-м адресным линиям при инсталлированном драйвере (менеджере) расширенной памяти спецификации XMS (например, HIMEM). К отображаемой (дополнительной) памяти (от 1 до 32 Мбайт) можно обращаться в RM только отображая ее через окна (frame) по 64 Кбайт (из 4-х сегментов по 16 Кбайт) в расширенной памяти. Эти окна создаются менеджером XMS и располагаются выше видео-памяти в пределах 1 Мбайт. К ним можно обращаться по 20 адресным линиям, только при инсталлированном драйвере (менеджере) верхней памяти спецификации EMS. Таким образом, область памяти от 1 Мбайт до 16 Мбайт может быть доступна и как расширенная (под управлением администратора XMS) и как дополнительная (под управлением администратора EMS). Так что отображаемая память – это память, доступная под управлением EMS, вне зависимости от ее расположения, т. е. память выше 16 Мбайт – только отображаемая, а от 1 до 16 Мбайт может быть одновременно и расширенной (под управлением XMS), и отображаемой, (если доступ к ней организован администратором EMS).

Управление окном выполняют обе программы-менеджеры: XMS (до 1 Мбайт) и EMS (до 32 Мбайт). Когда frame заполнен, EMS переносит его в дополнительную память, а из дополнительной – такой же, но свежий frame, переносит в те же физические адреса XMS. Такой механизм управления памятью позволяет работать с памятью до 640 Кбайт прямо под DOS, от 640 Кбайт до 16 Мбайт – с инсталлированным менеджером XMS и от 1 Мбайт до 32 Мбайт – с инсталлированными сразу двумя менеджерами XMS и EMS. Но администратор EMS должен инсталлироваться после инсталляции XMS, т.е. нужно следить, чтобы в файле config.sys первым был инсталлирован соответствующий драйвер XMS (например, HIMEM), а уж затем – драйвер EMS (например, EMM386).

В программных продуктах для CPU i386 обычно отображаемая память не используется, за исключением программ, написанных для CPU i286, т.к. i80386 имеет уже 32 адресные линии и может, в последних версиях DOS, непосредственно обращаться к памяти до 4 Гбайт.

В карте памяти для i386 первый мегабайт памяти – это копия карты памяти IBM PC для RM, обеспечивающая совместимость с i8086, а остальная часть, до 16 Мбайт, используется как расширенная, при инсталлированном менеджере XMS, или до 32 Мбайт как дополнительная, при инсталлированных менеджерах XMS и EMS.

Конструктивное исполнение DRAM.

Если DRAM выполнена на ИМС в DIP-корпусах, они могут иметь следующие обозначения:

164 - 64К х 1 бит,

264 - 64К х 2 бита,

464 - 64К х 4 бита,

1128 - 128К х 1 бит

4128 - 128К х 4 бита,

1256 - 256К х 1 бит

и т. п.

Оперативная память конструктивно расположена на SB PC. В системах 286 SB имеются четырехрядные розетки (Chip-Socket) для установки ИМС DRAM (Chip-Socket-Comby) в DIP-корпусах
с 16-ю и 18-ю выводами (рисунок 1.6.), позволяющие, при выходе из строя ИМС DRAM, заменять только один неисправный чип. Такая конструкция DRAM недостаточно надежна: – наблюдается эффект "сползания" ИМС из розетки, вследствие температурных изменений, и недостаточно надежно контактирование ИМС с розеткой, так как их выводы только залужены припоем ПОС и со временем окисляются.

Позже стали использоваться модули памяти на SIP (Single-In-Line-Package) с однорядным расположением контактов разъема штыревого типа (рисунок 1.7).

Печатная плата модуля содержит одну, чаще – несколько ИМС, распаянных на плату, сам же модуль имеет разъем с аксиальными штырьками и устанавливается в гнездовую розетку. Контакт достаточно надежен, "сползания" нет, но разъем не технологичен и модуль в разъеме специально не фиксируется. Сейчас такие модули больше не выпускаются.

┌──────────────────┐ ┌───────────────┐
│ ооооооооо │ │ ооооооооо │
│ оооооооо │ │ ├┴┴┴┴┴┴┴┼ │
│ ├┴┴┴┴┴┴┤ │ │ │511000-10 │
│ │4164/41256-10 │ │ ├┬┬┬┬┬┬┬┤ │
│ о├┬┬┬┬┬┬┤ │ │ ооооооооо │
└┐ оооооооо │ └┐ оооооооо │
└─────────────────┘ └──────────────┘
установка 256 Кбайт ИМС установка 1Мбайт ИМС

Рисунок 1.6. Сhip-Socket-Comby для установки 16- и 18- выводных ИМС DRAM.

┌──────────────────────────────────┐
│ ├┴┴┴┴┴┴┴┤ ├┴┴┴┴┴┴┴┤ ├┴┴┴┴┴┴┴┤ │
│ ├┬┬┬┬┬┬┬┤ ├┬┬┬┬┬┬┬┤ ├┬┬┬┬┬┬┬┤ │
│ │
└─┬──────────────────────────────┬─┘
└─┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬─┘

Рис. 1.7. Модуль SIP.

Для устранения указанных недостатков, модули памяти SIP были заменены на модули другой конструкции – SIMM (Single-In-Package-Memory-Module). Эти модули тоже содержит несколько ИМС, но имеют краевой разъем , выполненный печатным способом вместе с рисунком печатной платы и имеющий гальваническое покрытие контактов разъема (золото, или серебро-палладий), обеспечивающее вполне надежный контакт ( рисунок 1.8.).

┌───────────────────────────────────────┐
│ ├┴┴┴┴┴┴┴┴┤ ├┴┴┴┴┴┴┴┴┤ ├┴┴┴┴┴┴┴┴┤ │
│о ├┬┬┬┬┬┬┬┬┤ ├┬┬┬┬┬┬┬┬┤ ├┬┬┬┬┬┬┬┬┤о│
\ │
│ ┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐ │
└─┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴─┘

Рис. 1.8. Модуль SIMM.

Такие модули устанавливаются в розетки ножевого типа с фиксацией рабочего положения специальными защелками.

Модуль компактен, надежен в контактах, но при выходе из строя всего одной ИМС приходится заменять весь модуль, так как отпаять и припаять новую ИМС сложно и требуется точно такая же ИМС того же изготовителя и даже времени ее выпуска.

Модуль устанавливается в разъем сначала под углом, а затем поворачивается до вертикального положения до защелкивания замков. Нужно только следить за тем, чтобы шипы гнездового разъема вошли в отверстия модуля (на рисунке 1.8 они обозначены как “о” ).

Для снятия модуля сначала отжимаются защелки замка, затем модуль отклоняется назад и выводится из разъема. Модули легко ставятся и снимаются, а если модуль не входит или не выходит из разъема без особых усилий, значит, что-то делается неправильно.

SIMM выпуска 1990-91 г. предназначены для РС286, а выпуска 1992-93 г. – для РС 386/486. По характеристикам и электрическим параметрам они несовместимы как между собой, так и с более поздними моделями. Однокристальные SIMM имеют малую емкость, многокристальные SIMM могут иметь разных производителей и/или разные даты выпуска, что также несовместимо в одной системе DRAM. Мало того, SIMM могут иметь разную организацию, так что SIMM для РС 386, 486 и Pentium практически несовместимы.

Новой разновидностью модулей памяти являются модули DIMM (Dual-In-Line-Memory-Module – двухрядное расположение контактов), имеющие не 32, а 72 контакта на краевом разъеме, что позволяет значительно увеличить емкость каждого модуля.

В последнее время типы памяти приобрели ярко выраженную аббревиатуру, позволяющую их идентификацию:

- DRAM – DynamicRAM – динамическая память с произвольной выборкой;

- FPMDRAM – FastPageMode – динамическая память со страничной организацией;

- VRAM – VideoRAM – видеопамять динамическая, двухпортовая. Наличие второго порта позволяет осуществить произвольный доступ к памяти в то время, когда уже идет вывод данных на видеомонитор;

- CDRAM – CachedDRAM – динамическая память фирмы Mitsubishi, содержащая дополнительно
16 Кбайт быстрой памяти на каждые 4 или 16 Мбайт;

- EDRAM – EnhancedDRAM – динамическая память фирмы Ramtron, содержащая 8 Кбайт быстрой
кэш-памяти на каждые 8 Мбайт;

- EDODRAM – ExtendedDataOutputDRAM – динамическая память со страничной организацией.

Благодаря дополнительным регистрам, данные на выходе сохраняются в течение большого интервала времени, от одного сигнала выборки CAS# до следующего.

Существуют и другие типы модулей памяти, со своими обозначениями.

Все вышеприведенные типы памяти между собой несовместимы , как несовместимы и с контроллерами памяти другого типа. Так что, если системная плата, в соответствии с инструкцией по ее эксплуатации, рассчитана, например, на память типа EDO, значит и контроллер памяти (расположенный в чип-сете) рассчитан только на EDODRAM, и с любым другим типом модулей памяти работать не будет.

Емкость современных модулей SIMM достигает сотен Мбайт и более. Тем не менее, если все разъемы DRAM заняты, емкость ОЗУ все же можно увеличить, установив в специальный слот плату расширения памяти (например, карту MBI 386RW-BUS), с установленными на нее дополнительными модулями SIMM. Конечно, в этом случае следует выставить и соответствующую конфигурацию ВС.

Уместно напомнить, что установка дополнительной памяти требует дополнительных программных и аппаратных средств – контроллеров типа 82С631, 82С241, для преобразования расширенной памяти в дополнительную (при использования ее в системе MS DOS).

Спецификация ЕМS разработана фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft и называется так же спецификацией LIM. Версия EMS 3.2 позволяет сверх базовой памяти в 640 Кбайт использовать до 8 Мбайт ОЗУ, а EMS 4.0 - до 32 Мбайт. Для операций с EMS используется прерывание DOS 67h. Программная поддержка верхней памяти под MSDOS – менеджеры HIMEM (для доступа к расширенной памяти), плюс QEMEM, 386MAX, EMM386 и др. – для доступа к дополнительной памяти.

Контрольные вопросы.

1. Для чего организуется работа DRAM с чередованием банков?

2. Как организуется регенерация DRAM?

3. Какой объем памяти отводится MS DOS под базовую?

4. Где располагается область таблицы векторов прерываний?

5. Какими средствами становится доступной область Upper Memory под MS DOS?

6. В чем достоинства и недостатки модулей SIMM?

7. Как конструктивно может быть выполнена DRAMPC?

1.4.5.2) Буферная кэш-память ОЗУ

При высокой скорости работы системы, DRAM сильно ограничивает производительность ПЭВМ.

Для выравнивания времени доступа к СОЗУ (регистровая память), находящемуся в структуре самого CPU, и DRAM, между ними располагают буфер – кэш (Cache Memory), организованный на статической памяти (SRAM) сравнительно небольшого объема со временем доступа 20-25 нсек. Для эффективного использования кэш-памяти, программный модуль должен целиком помещаться в кэш, включая циклы переходов, как для команд, так и для данных.

Часто устанавливаются два отдельных кэша – кэш команд и – кэш данных.

При работе программы, отдельные модули программы копируются контроллером КЭШа из ОЗУ в кэш. При запросе от CPU команды или данных, сначала проверяется наличие нужных адресов в кэш (используя указатель адресов – кэш-ТЭГ). При наличии, отмечается кэш-попадание (cache-hit), иначе – кэш-промах (cache-miss) и, в последнем случае, информация целым модулем копируется из RAM в кэш.

Даже времена доступа к SRAM в 20-25 нсек оказываются недостаточными для современных высокоскоростных CPU типа Pentium-3, Pentium-4, поэтому непосредственно в CPU устанавливают еще один кэш, кэш первого уровня, со временами доступа 2 – 5 нсек.

Кэш-память требует управления от специального контроллера кэш-памяти, который размещается вместе с кэш соответствующего уровня.

Кэш-память также может стать источником ошибок, поэтому в современных программах настройки BIOS (SetUp-программы или NSetUp) предусмотрено отключение кэш-памяти первого и/или второго уровней. Это позволяет локализовать неисправность, возникающую либо в основной DRAM, либо в кэш-памяти первого или второго уровней. Ошибки кэш-памяти второго уровня устраняются заменой ИМС кэш-памяти (для этого они часто устанавливаются в chip-sockets), но ошибки кэш-памяти первого уровня не могут быть устранены без замены самого CPU. Сохранить работоспособность РС при неисправности кэш-памяти можно, хотя и с некоторым снижением производительности АПС, если отключить кэш соответствующего уровня.

Архитектура кэш-памяти может быть: с прямым отображением, частично ассоциативная и полностью ассоциативная.

При прямом отображении (direct mapped cache) каждая ячейка DRAM отображается непосредственно в одну ячейку SRAM. Перепись информации из RAM в кэш и обратно осуществляется целым блоком в объеме кэша.

При частично ассоциативной архитектуре каждая ячейка DRAM может отображаться в кэше по двум или более входам (каналам).

При полностью ассоциативной архитектуре, в качестве разрядов-признаков используется все адресное пространство, а конкретная ячейка RAM может быть отображена в любом месте SRAM, при этом блоки в DRAM и кэш равнозначны не все время, а только после обратной переписи информации из кэш в RAM.

Для поиска информации, в кэше организуется специальное поле указателей – тэгов (TAG RAM). Эти тэги ассоциируются с искомым адресом и, для их хранения, в контроллерах КЭШ организована специальная память признаков, также выполненная на SRAM.

Частично ассоциативная память, чаще всего используемая на практике, разбивается на несколько областей. Внутри каждой области располагаются многобайтовые строки, содержащие как информацию, так и ключи поиска. В случае промаха, кэш-память заполняется построчно, причем обновляется строка из давно не использовавшихся данных. Этот принцип реализуется контроллером кэш-памяти и называется LRU (Least Recently Used – редко используемый).

Обращение к кэш-памяти происходит по физическим адресам, включающим несколько полей:

- младшее поле адреса (индекс-разряды) задает два или более входов в кэш, при этом в каждом наборе может быть несколько многобайтовых строк,

- среднее поле адреса указывает на конкретную ячейку в наборе,

- старшее поле – содержит информацию о том, имеется ли в кэше затребованный информационный массив, или нет.

Существуют следующие способы записи информации DRAM в КЭШ:

1) метод сквозной записи (Write Through), при котором по шине памяти производятся две записи: одна – в RAM, другая – в кэш. При этом одновременно имеются две копии данных, одна в кэш, другая в RAM;

2) метод буферизованной сквозной записи (Buffered Write Through). При этом методе запись из CPU в кэш происходит сначала в буферные стеки дисциплины FIFO, а затем уже сам контроллер кэш переписывает стеки в DRAM. При этом дополнительного цикла записи не требуется, но некоторое время в DRAM и кэше находится разная информация: в кэш – новая, а в DRAM – старая.

3) метод обратной записи (Write Back) – самый эффективный метод. Он использует наименьшее число циклов записи, но требует для своей реализации дополнительной аппаратной поддержки и поэтому применяется только в мультипроцессорных системах. При этом методе в DRAM и SRAM содержится различная информация. При записи в кэш, устанавливается статусный бит (Dirty Bit – "грязный"), при обновлении кэш-памяти этот бит проверяется и, если он установлен, то из кэш в DRAM переписывается полная строка данных (Cache Line). Опасность такого способа заключена в том, что при случайном сбое в работе РС, обновленная информация, уже имеющаяся в кэш и еще не переписанная в ОЗУ, может потеряться.

Контрольные вопросы.

1. Как выравниваются скорости работы CPU и DRAM?

2. Сколько уровней кэш-памяти могут иметь РС на базе CPU Pentium?

3. Как можно локализовать ошибки кэш-памяти?

4. Как сохранить работоспособность РС при неисправной кэш-памяти?

5. Какой архитектуры может быть организована кэш-память?

6. Какие существуют способы записи информации DRAM в кэш?

1.4.5.3) Подсистема ROM BIOS

Память ПЗУ для ROM BIOS представлена двумя частями:

- первая, системная, расположена на SB в двух чипах ПЗУМ 27565, по 32 Кбайт каждый, или в одном – на 64 Кбайт. Доступ к ROM BIOS осуществляется по целым словам, т.е. разряды адресной шины XA[1/0] всегда = 0 и обычно на SB есть перемычки (jampers) для возможности расширения адресов ROM до 128 Кбайт;

- вторая – ROM-ловушки. Здесь размещаются программы-драйверы дополнения базовой версии BIOS новыми возможностями, при расширении или модификации аппаратных средств (HDD, дисплей и др.). Расположены эти ROM на картах контроллеров расширения соответствующих подсистем.

Обе части BIOS при загрузке системы транслируются в теневую RAM (см. Карту стандартного распределения памяти под MS DOS, таблица 1.4.). Доступ к чипам ROM происходит через дешифратор адреса второй ступени (выход HIROM) в контроллере 303, активизацией сигнала ROMCS = L в контроллере 82С302.

BIOS – это программное средство (Firm Ware), низший уровень ОС, реализующий интерфейс между аппаратной частью (Hard Ware) и операционной системой (DOS-Ware). Программы BIOS, написанные разными производителями (AWARD, AMI, PHOENIX и т. д.) и даже одной фирмой, но для разных моделей РС, отличаются. Более того, BIOS, написанная для той же модели РС той же фирмы, но разного времени выпуска также могут отличаться. Все эти варианты, как правило, между собой несовместимы.

Содержимое ИМС ROM BIOS разделено на 3 части:

1) программа самотестирования РС (POST) и инициализации (загрузки) портов ВВ для всех устройств, поддерживаемых этой BIOS. Но некоторые программы BIOS расположены на картах расширения УВВ – это дополнение BIOS для тех УВВ, описаний которых нет в ПЗУ на SB. Выполнение POST-программы завершается прерыванием 13h (BootsTrup), которое инициирует загрузчик системных модулей (ядра DOS) с системного носителя – в ОЗУ.

2) программы обработки прерываний от УВВ, поддерживаемых системной ROM BIOS на SB или на картах расширения.

3) система подпрограмм обслуживания функций УВВ.

Вторая и третья части тесно связаны между собой. Так, вызов программы взаимодействия с портами УВВ происходит через программные прерывания, а функция обслуживания вызывается из третьей части, по коду, хранящемуся в регистре AH CPU.

Информация в ROMBIOS защищается от информационных ошибок с помощью циклической контрольной суммы (код CRC).

Если какие-то функции УВВ требуются, но в BIOS не прописаны, можно либо заменить сам чип ROM BIOS (для этого он и смонтирован в ChipSocket), либо ввести специальные утилиты обслуживания, например, Disk Manager и т. п. Современные РС типа Pentium часто оснащаются другим типом ПЗУ для хранения ROM BIOS, так называемой Flash-памятью. Этот тип ППЗУ предоставляет возможность электрической перезаписи информации (EPROM) даже без извлечения модуля из РС. Это, с одной стороны, очень удобно, – можно внести изменения, добавить недостающие функции обслуживания, но имеется и отрицательная сторона дела:

- прежде всего, нужно хорошо понимать зачем, что и как следует делать с Flash-памятью;

- помнить, что EPROM имеет, хотя и достаточно большое (до 50), но все-таки ограниченное допустимое количество перезаписей , после чего характеристики хранения информации этой EPROM не гарантируются;

- наконец, при штатной эксплуатации , имеющаяся на системной плате в районе Flash-памяти перемычка перепрограммирования должна быть установлена в положение запрет программирования . Иначе, при некоторых видах сбоев электроники или программ, информация в ROM BIOS, выполненной на
флешь-памяти, может быть разрушена. И самое худшее, что может случиться, – это повреждение информации в подобной ROM BIOS, вследствие деструктивных действий некоторых компьютерных вирусов. При этом нормальное функционирование компьютера становится невозможным.

Таблица функций УВВ сохраняется в ОЗУ, в 256-байтной области (BIOS DATA AREA), сразу за векторами прерываний, впрочем, программы-менеджеры памяти могут ее перемещать в область верхней памяти (UpperMemory).

Доступ к ROM BIOS со стороны CPU по адресам, обеспечивается через шину расширения адреса ХА [23/00], а по данным – через буфер данных 82А305 (рисунок 1.3).

Теневые области оперативной памяти.

В компьютерах с микропроцессорами 386 и выше, обмен данными с памятью осуществляется по 32- или 64-разрядным шинам, а обращение к ПЗУ ROMBIOS – только по 16-разрядному тракту. Контроллеры с собственными ROMBIOS могут обращаться к системной плате лишь по 8-разрядному тракту, что существенно снижает общую производительность машины. Кроме того, быстродействие ПЗУ значительно ниже, чем у существующих микросхем динамического ОЗУ. Например, задержка выборки из лучших ИМС ПЗУ составляет 150-200 нсек, тогда как для современных ИМС ОЗУ – всего десятки и даже единицы наносекунд. Для преодоления этого недостатка, применяется копирование содержимого ROMBIOS в 32-разрядную основную память. Этот прием называется созданием теневой памяти (shadowing).

Теневая память создается внутренним устройством управления памятью MMU микропроцессора. MMU копирует код ПЗУ в определенную область ОЗУ и присваивает ей те же адреса, по которым она исходно располагалась в ПЗУ, после чего доступ к самим ИМС ПЗУ отключается. Эта часть ОЗУ теперь рассматривается тоже как ПЗУ и защищается от записи. Применение, для организации теневой памяти, менеджера верхней памяти, стоит потери участка расширенной памяти, объемом, равным объему ПЗУ, для которого эта теневая память создавалась. Иногда области ОЗУ, не используемые под теневую память, переадресуются так, чтобы не получалось разрывов в адресном пространстве памяти. Но переадресация возможна только по целым сегментам, с точностью до 16 Кбайт, так что приходится “выбрасывать” иногда вплоть до 384 Кбайт памяти, чтобы можно было организовать доступ к верхней памяти РС. Это особенно заметно, когда при выполнении процедуры POST для РС, с установленными физически 4 Мбайт памяти (4096 Кбайт), выводится сообщение о наличии всего 3712 Кбайт ОЗУ. Это значит: 4096 Кбайт – 3712 Кбайт = 384Кбайт “потерялись”. Это и есть созданная теневая память, которая физически существует, но исключена из нормальной работы ОЗУ, т. к. в ней хранятся копии системного, видео, жестких дисков и проч. ROMBIOS.

Контрольные вопросы.

1. На каких типах ПЗУ может быть организована подсистема ROM BIOS?

2. Для чего, главным образом, используется ROM BIOS?

3. Зачем ROM BIOS копируется в DRAM?

4. Что делается для защиты копии ROM BIOS в DRAM?

5. Как защищается от ошибок сама ROM BIOS?

6. В чем достоинства и недостатки flash-ROM BIOS?

7. Как ускоряется работа с ПЗУ ROMBIOS в РС?

1.4.5.4) Подсистема CMOS -памяти и часов реального времени RTC

В РС ХТ аппаратная конфигурация РС (объем памяти, количество и типы дисководов, тип видеоподсистемы и т. п.) задавались DIP-переключателями, состояние которых опрашивалось системой BIOS перед выполнением POST-программы. При изменении аппаратной конфигурации (реконфигурировании АПС) требовалось изменять состояние этих переключателей на системной плате вручную, что не просто, т. к. их назначение и расположение на системной плате специфично для каждого ее типа. В РС/АТ, для хранения подобной информации, состав которой, кстати, заметно расширился, ввели специальную микросхему памяти небольшого объема, питание которой при выключенном компьютере осуществляется от специальной батарейки или аккумулятора. В ту же микросхему поместили и часы-календарь (чтобы часы не останавливались, когда компьютер выключен). А чтобы снизить потребление мощности от батарейки, выбрали структуру КМОП (CMOS – ComplimentaryMetal-Oxide-Semiconductor – комплиментарный полупроводник, выполненный по металло-оксидной технологии на полевых транзисторах). Эта память и часы – CMOSMemoryandRealTimeClock (RTC) стали стандартным элементом архитектуры РС/АТ. Содержимое этой памяти, время и дату модифицировали сначала с помощью внешней загружаемой утилиты SetUp, а позже эту утилиту встроили в BIOS. Эта микросхема CMOSRTC имеет встроенную систему контроля питания, отслеживающую разряд батареи ниже допустимого уровня. При разряженной батарее BIOS при загрузке ОС выводит на монитор сообщение типа:

CMOS battery state low

CMOS display type mismatch

RUN SETUP UTILITY

Press <F1> to RESUME

(низкое напряжение батареи питания CMОS-памяти. Содержимое CMOS-памяти неправильно. Запустите утилиту SETUP. Нажмите F 1 для ее вызова).

Отсутствие ошибок в CMOS-памяти, проверяет BIOS при загрузке ОС, с помощью контрольной суммы, формирующейся при модификации содержимого CMOS-памяти и хранящейся в ней же.

Доступ к ячейкам CMOSRTC осуществляется CPU через порты ввода-вывода 70h (адрес ячейки) и 71h (данные).

Назначение ячеек SMOSRTC приведено в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Стандартное назначение ячеек CMOS RTC .

Cвободные ячейки CMOSRTC 34-3Fh иногда используют для привязки программного обеспечения к конкретному компьютеру, которая выполняется в процессе инсталляции ПО. В этом случае, если не сохранять образ CMOS-памяти на диске, то, при разрушении информации в CMOS, право на использование данного ПО в данном компьютере потеряется.

Контрольные вопросы.

1. Как задавались параметры аппаратной конфигурации в РС/ХТ?

2. Где хранятся параметры конфигурации в РС\АТ?

3. Почему для CMOSRTC используются КМОП-структуры?

4. Как осуществляется доступ к ячейкам CMOS-памяти?

5. Как модифицируется содержимое CMOS-памяти?

6. Каким способом информация CMOS-памяти защищается от ошибок?

1.5 Периферийные устройства РС

Вычислительная часть компьютера (АПС) включает в себя центральный процессор с его обрамлением (обвеской), подсистему оперативной памяти вместе с кэш-памятью и их контроллерами и подсистему ROM BIOS, размещенные на системной плате.

К внешним (периферийным) устройствам вычислительной системы относятся все те устройства ввода-вывода, устройства массовой памяти, аудио подсистему и т. д., которые подключаются к вычислительной части ВС через системную шину . Их номенклатура, как правило, различна для разных АРМ и состоит из базовой системы ввода-вывода оперативной (управляющей) информации и – дополнительного периферийного оборудования. Собственно базовая часть системы ввода-вывода оперативной информации тоже может изменяться в зависимости от классов задач, на которые ориентировано данное АРМ. Тем не менее, с персональным компьютером общего применения поставляется минимальный набор средств ввода-вывода для длительного и архивного хранения Soft-продуктов и информационных баз данных самого компьютера.

1.5.1 Система ввода-вывода оперативной информации

Система ввода-вывода оперативной информации ЭВМ включает в себя клавиатуру и дисплей, обязательно входящие в ВС. В случае РС, в базовый комплект дополнительно могут входить манипулятор типа "мышь", или трекбол, или сенсорная панель и джойстик.

1.5.1.1) Средства ввода оперативной информации

Обычная клавиатура выполняется на контактных или бесконтактных датчиках нажатия клавишей. Простейшие клавиши при их нажатии просто замыкают столбец выбора со строкой выбора нажатой клавиши. Это – клавиши шилдовой конструкции, самые простые и дешевые. Их недостатки: малая надежность, из-за возможности попадания пыли и вязких жидкостей под контакты, и – ограниченный срок службы контактов вследствие усталости металла и окисления. Разновидностью шилдовой клавиатуры является пленочная (мембранная) клавиатура, в которой контактные площадки и замыкающие перемычки выполнены печатным способом на гибком слое диэлектрика (лавсановой или ПЭТФ-пленке). Эта клавиатура менее чувствительна к пыли, влажности, но и менее долговечна, чем шилдовая, из-за старения пленки, не вполне удобна в эргономическом смысле (оператору привычнее получить какой-то тактильный "отзыв" на нажатие, иначе он непроизвольно начинает сильнее давить на клавиши, от чего больше устают пальцы). Такие типы клавиатуры технологически проще, следовательно – дешевле.

Лучше работают клавиатуры герконовой конструкции (ГЕРметизированный КОНтакт), где контакты клавишей герметизированы в стеклянной ампуле и управляются миниатюрным постоянным магнитом, перемещаемым плунжером клавиши. Магнит должен перемещаться вдоль оси геркона, иначе чувствительность геркона падает, и надежность срабатывания уменьшается.

Контактные пластинки геркона выполняются не из стали, а для уменьшения остаточной намагниченности – из чистого железа. Иначе, остаточно намагниченные пластинки останутся притянутыми друг к другу и при отсутствии внешнего магнитного поля. Чистое железо, как известно, очень активно окисляется, поэтому ампула заполняется восстановителем окислов – водородом. Тем не менее, герконовая клавиатура все-таки не очень надежна, – иногда возникают "залипания" контактов из-за остаточной намагниченности контактов. Кроме того, герконовая клавиатура толще пленочной или шилдовой, так как герконы приходится располагать вертикально.

Более надежны клавиши с датчиками Холла. Эффект Холла заключается в том, что если через кристалл полупроводника пропустить электрический ток, то на боковых гранях кристалла разности потенциалов не образуется. Но если этот кристалл с током поместить в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, то на боковых гранях, перпендикулярных как направлению тока, так и направлению магнитного поля, образуется разность потенциалов, пропорциональная силе тока и напряженности магнитного поля. Устроены клавиши с датчиками Холла так, что при нажатии клавиши постоянный магнит перемещается плунжером в зону датчика, а при отпускании – выходит из нее. Это вполне надежная клавиатура, но достаточно дорогая, ими снабжаются специальные, а не простые персональные компьютеры.

Другой способ съема нажатия клавиш использует магниторезистивный эффект – свойство некоторых материалов, в том числе и полупроводниковых, изменять свое сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля. Клавиши с датчиками Холла или магниторезисторами часто имеют встроенное в модуль клавиши электронное пороговое устройство (триггер Шмидта), которое четко фиксирует нажатие-отпускание клавиши и устраняет "дребезг контакта", свойственный всем контактным системам.

Встречаются клавиатуры с емкостными датчиками нажатия, когда при нажатии на клавишу увеличивается емкость между строкой и столбцом матрицы клавишей. Они тоже достаточно надежны, но требуют для своей работы высокочастотного генератора не только для синхронизации микроЭВМ контроллера любой клавиатуры, но и дополнительного генератора для датчиков клавиатуры емкостного типа.

При установке клавиатуры в РС следует убедиться, что BIOS правильно реагирует на скан-коды, выдаваемые KBD. Клавиши в узлах матрицы располагаются чаще по системе QWERTY, реже – по системе Дворака-Дилея , а для русифицированных машин – по системе ЙЦУКЕНГ , однако, существуют и другие варианты расположения клавиш, на скан-коды которых BIOS может реагировать неадекватно.

При нажатии шилдовой, пленочной или герконовой клавиши сопротивление контакта уменьшается теоретически от бесконечности до нуля, но практически в меньших пределах и, что хуже всего, – немонотонно, что вызывает так называемый "дребезг контакта", приводящий к тому, что контроллер клавиатуры фиксирует несколько нажатий и отпусканий при каждом однократном нажатии клавиши. Это проявляется в виде нескольких повторов приема кода нажимаемой клавиши. Для уменьшения "дребезга контактов", в простых KBD на каждую клавишу ставился интегрирующий RC-фильтр. Это самое простое, но не самое лучшее решение: RC-фильтр заметно уменьшает сигнал, снимаемый с клавиши, его частотные характеристики не оптимальны, он плохо фильтрует низкочастотные составляющие и задерживает сигналы нажатий клавишей. В кодирующей клавиатуре IBM PC и его клонов, для защиты от "дребезга", контроллером KBD вводится задержка в несколько миллисекунд от появления первого сигнала нажатия до его обработки, за которые дребезг должен закончиться. Достаточно совершенная система антидребезговой защиты включает до 128 попыток чтения нажатой клавиши и код сканирования матрицы клавишей считается достоверным, только если не менее 32 попыток подряд дают один и тот же код, иначе код считается фантомным и отфильтровывается.

Манипулятор "мышь" очень удобен при работе с графикой и оболочками ОС, использующими пиктограммы, но он может только фиксировать координаты курсора на экране, а вводить символьную информацию "мышью" слишком долго и неудобно.

Одна разновидность манипулятора "мышь", Mouse Serial, подключается к СОМ-порту и использует IRQ4 для СОМ1 или IRQ5 для СОМ2. Другая, SystemMouse, подключается к системной шине через специальный контроллер.

Распределение сигналов на разъеме последовательной "мыши" следующее:

DATA – 2 / 3,

GND – 5 / 7,

+5 V – 4, 7 / 4, 20,

-5 V – 3 / 9.

Здесь номера контактов перед символом слэж относятся к 9-контактному разъему СОМ-порта, а после – к 25-контактному.

Манипулятор трекбол – вращающийся шар, также предназначен для фиксации координат курсора на экране монитора. Он не требует дополнительного места на столе, более надежен в работе (нет соединительного кабеля) и часто используется в РС конструкций LapTop. Работать с ним менее удобно, чем с мышью, так как для нажатия кнопок на "мыши" у вас свободны пальцы, а для работы с трекболом приходится переносить пальцы на кнопки.

В последнее время в РС, особенно конструкций LapTop, применяется сенсорная панель , называемая также Wersa Glade илиThouch Pad . Она очень удобна при работе с ОС, использующими пиктограммы, и не имеет недостатков “мыши” и трекбола. Для работы с ней нужно просто водить пальцем по небольшой сенсорной панели, расположенной на стандартной клавиатуре и курсор на экране повторяет движения пальца по сенсорной панели. Еще один вид манипулятора – TrackPoint, представляет собой небольшую кнопку, расположенную на стандартной клавиатуре в районе малой клавиатуры управления курсором. По сути эта кнопка работает как джойстик: в зависимости от направления нажатия на нее – влево, вправо, вверх или вниз в том же направлении смещается и курсор на экране. TrасkPoint нажимают средним пальцем, а указательным и безымянным можно нажимать две другие, рядом расположенные клавиши, которые функционально идентичны левой и правой кнопкам “мыши”.

Манипуляторы типа джойстик предназначены исключительно для игр, авто- флай- и им подобных симуляторов. Джойстики выпускаются в двух модификациях:

- Кемпстон-джойстик, и

- пропорциональный джойстик.

Первый только фиксирует положение рукоятки подобно клавишам управления курсором на стандартной клавиатуре, а пропорциональный работает как "мышь", смещая курсор на экране монитора пропорционально углу отклонения рукоятки джойстика от вертикального положения. Оба джойстика используются исключительно с игровыми программами и симуляторами (имитаторы управления автомобилем, самолетом и т. п.).

Все вышеперечисленные устройства ввода требуют именно своих, специализированных средств программной поддержки (Firm Ware), т.е. соответствующих программ и драйверов.

К устройствам для массового или специального ввода информации в РС относятся сканеры, дигитайзеры (сколки) и т. д.

Контрольные вопросы.

1.Какие устройства входят в подсистему ввода-вывода оперативной информации РС?

2. Какие типы клавиатур используются в ПЭВМ?

3. В чем достоинства и недостатки KBD шилдовой системы?

4. Какие типы клавиатур наиболее надежны в работе?

5. Какие меры антидребезговой защиты применяются в РС?

6. Какие типы манипуляторов используются в РС?

7. КакподключаетсякРС serial mouse? system mouse?

8. Что за манипулятор Wersa Glade?

9. Какие разновидности джойстиков используются в РС, их особенности и области применения.

1.5.1.2) Средства вывода оперативной информации

Для вывода оперативной информации из РС используются дисплей и регистрирующие устройства – принтеры. Дисплей может быть выполнен:

- на вакуумном кинескопе телевизионного типа,

- на жидкокристаллической панели,

- на газоразрядной панели,

- на светодиодной матричной панели.

Видеомонитор на вакуумном кинескопе д ля обычного домашнего, офисного, управленческого использования часто подходит лучше всего. Он использует давно отработанный в телевидении способ формирования цветного изображения, обладает вполне хорошими скоростными характеристиками, высоким разрешением, яркостью и контрастностью, но тяжел по весу, громоздок, боится ударов и требует для своего питания высоких напряжений (до 25 киловольт), в связи с чем, имеет повышенный фон мягкого рентгеновского излучения. Но последнее заметно снижается применением специальных светофильтров или особой технологией изготовления стекла экрана, а остальные недостатки для стационарных условий эксплуатации не столь существенны.

Жидкокристаллическая панель (ЖКИ) имеет малый вес, конструктивно плоская, очень экономична, не требует для питания высоковольтных источников питания, мало чувствительна к ударам и пыли. По сравнению с видеодисплеями телевизионного типа, ЖКИ-панель имеет почти такую же разрешающую способность, но несколько уступает TV-дисплеям по скоростным характеристикам. Видеокарта поддерживает полосу частот видеосигнала в 35 МГц, что соответствует минимальному времени релаксации пикселей дисплея порядка 30 мксек. Дисплей на ЭЛТ практически обеспечивает время релаксации порядка 100 мксек, тогда как время релаксации современных ЖКИ-панелей превышает 8 мсек. Кроме того, качество изображения на ЖКИ-панели зависит от направления взгляда: при обзоре ЖКИ-панели с углов более 30⁰ от перпендикуляра к плоскости экрана, изображение теряет четкость и цветовую яркость. Так что ЖКИ-дисплеи для работы со скоростными мультимедийными приложениями, могут быть рекомендованы только с известными ограничениями.

В последних моделях ЖКИ-дисплеев многие из их недостатков уже устранены использованием современных высоких технологий, поэтому сейчас компьютеры все больше комплектуются именно ЖКИ-мониторами.

Газоразрядные панели используют свечение разреженного газа в электрическом поле. Плоские, легкие, но только монохромные, с относительно невысокой разрешающей способностью и требуют для своего питания повышенного напряжения (100-120 вольт). Используются в РС специального назначения.

Светодиодные панели (СДП) – плоские, яркие, управляются низким напряжением, цветные, ударопрочные, быстрые, но их разрешающая способность уступает телевизионным кинескопам и ЖКИ-панелям, так как каждый цветной пиксель образован тремя светоизлучающими кристаллами полупроводника, да и мощность потребления СДП довольно значительна (порядка 500 Вт).

Интерфейс видеоподсистемы.

Видеосигналы управления монитором вырабатываются не системной платой, а на адаптерах-контроллерах монитора, вставляемых в слот расширения системной шины, или интегрированных непосредственно на системную плату компьютера.

Плата (карта) видеомонитора, называемая также видео-картой, содержит схему поддержки алфавитно-цифровой информации, она же может поддерживать режим побитовой графики , в отличие от векторной графики, когда изображение формируется не из точек, пикселей, а из отрезков линий.

Видеокарта, в зависимости от ее назначения, может вырабатывать следующие сигналы:

- полный видеосигнал (выведен на разъем RCA),

- набор RGB-сигналов и сигналов строчной и кадровой синхронизации (выведен на 9- или 12-контактный разъем, расположенный под разъемом RCA).

RCA работает с видеовходом монитора подобно видеоплейеру с телевизором. В этом случае, дисплей должен уметь работать с полным видеосигналом, характеристики изображения при этом получаются несколько хуже, а монитор – сложнее.

RGB- монитор обрабатывает:

- три цветовые составляющие: R, G и В (красная, зеленая, синяя),

- сигнал яркости (интенсивности),

- сигналы синхронизации растра.

Видеокарта содержит встроенную RAM, в которую программно записываются страницы информации, подлежащие выводу на дисплей. Видеопамять (VDRAM) видео-карты имеющая объем 256 Кбайт и более, начинается с адреса, определяемого типом видеосистемы (MDA, CGA, VGA, SVGA) и содержит в алфавитно-цифровом режиме по два байта на символ – код символа ASCII и код атрибута символа. Код атрибута определяет цвет символа, цвет фона, яркость символа, негативность высветки символа, режим мерцания.

В чисто графическом режиме, не работе псевдографикой, при которой каждый элемент деловой графики – тоже некоторый символ, видео-RAM содержит полную бинарную копию экрана с атрибутами каждого пикселя. Контроллер видеокарты для этого должен быть соответственно перепрограммирован.

Для вывода на экран алфавитно-цифровой (АЦ) информации, код символа ASCII должен быть переработан в точечный образец символа, который в дальнейшем и будет воспроизведен на экране. Это преобразование происходит в ПЗУ (или ОЗУ) знакогенератора видеоконтроллера. Опрос знакогенератора происходит по адресам, соответствующим ASCII-кодам символа, из которых считывается уже матрица 8х8 или более точек, составляющая собственно образ символа на экране.

Упрощенная блок-схема видеоадаптера VGA приведена на рисунке 1.9.

┌─────┐ ┌──────┐ ┌─────┐ ┌────┐
канал в/в │ ШнФ │ │видео-│ │ ПЗУ │ ┌──────┐ │ ЦАП│ сигнал
─────────>│ │──┬──>│память│────>│ │──>│Рг сдв│──>│ │──────>
│ │ │ │ │ │ │ ┌>└──────┘ │ │ яркости
└─────┘ │ └──┬───┘ └──┬──┘ │ ┌─────────>│ │
│ │ряд в строке│ │ │ гаш.курс │ │
│ ┌──┴──┐─────────┘ сдв│ │ ┌──────>└────┘
┌───────┐ └──>│контр│──────────────┘ │ │ аттр.
│ген. ТИ│────>│ ЭЛТ │────────────────┘ │
└───────┘ │ │───────────────────┘ RGB
│ │──────────────────────────────────────>
│ │ ┌─────────┐ ┌─────┐ КСИ
│ │─────>│секвенсор│────>│ ФКИ │─────────>
│ │ │ │─┐ └─────┘
└─────┘ └─────────┘ │ ┌─────┐ ССИ
└──>│ ФСИ │─────────>

└─────┘

Рисунок 1.9.. Блок-схема видеоадаптера VGA.

На приведенной схеме:

Контроллер ЭЛТ – основная компонента адаптера – СБИС VGA IC.

Генератор точек символов – ПЗУ МК3600 от 8х8 до 9х16 точек в матрице символа.

Видеопамять – 4 секции по 64 Кбайт.

Рг сдв – регистр сдвига, преобразующий параллельный код строки матрицы символа в последовательность яркостных точек в строке экрана.

ЦАП – добавляет к ним бланкирующие сигналы и сигналы гашения обратного хода луча, а также определяет режим вывода символа (яркий, мигающий и т. д.) и формирует амплитудно-модулированный сигнал яркости для ЭЛТ.

Контроллер ЭЛТ, в зависимости от атрибутов символа, формирует сигналы цветов символа и фона, мерцания, негативности, яркости.

Секвенсор формирует сигналы кадровой (КИ) и строчной (СИ) синхронизации генераторов разверток дисплея.

ФКИ и ФСИ – формирователи кадровых и строчных импульсов синхронизации соответственно.

Генератор ТИ синхронизирует работу видеоадаптера и имеет две кварцованные частоты 25,175 и 28,322 МГц; меньшая – для вывода 8-битовой строки символа, большая – для 9-битовой.

Разрешающая способность дисплея программируется в секвенсоре через контроллер ЭЛТ. Сам контроллер ЭЛТ тоже программируется и, используя информацию об атрибутах символа из VIDEO-RAM, управляет цветовыми и яркостным каналами, вырабатывает синхросигналы разверток, следит за тем, чтобы номер строки выводимого символа соответствовал строке на экране, определяет частоту сдвига в регистре сдвигов, в зависимости от требуемого разрешения (числа точек в строке), и регенерирует VIDEO-RAM. В нем же есть регистр положения курсора на экране и признак его выключения.

Для повышения разрешающей способности дисплея против телевизора, где частота строк составляет 14600 Гц, видеомонитор работает с частотой строчной развертки 31500 Гц, а кадровой – 60-100 Гц, против телевизора, где полукадровая частота 50 Гц при чересстрочной развертке. Получаемая при этом разрешающая способность видеомонитора составляет от 640х480 до 1600х1200 пикселей по горизонтали и вертикали соответственно, в зависимости от типа и режима работы видеомонитора.

Полоса частот канала яркости видеомонитора составляет 35 МГц (скорость включения/выключения пикселей) вместо 4,5 МГц в телевизоре.

Разъем интерфейса видеомонитора VGA – 9-контактный, типа DIN, со следующим распределением сигналов:

1 – GND (0 в)

2 – GND

3 – R (красный)

4 – G (зеленый)

5 – B (синий)

6 – I (яркость)

7 – не задействован

8 – КСИ

9 – ССИ.

Упрощенная блок-схема монитора VGA приведена на рисунке 1.10.

/│
┌─────────┐ ОС / │
┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ ┌─────│ ───────────────────/ │
R ──>│ бу- │ │сигн.│ │видео│───┘ │ │) ││R ┌──\ /───┐ фокус │
G ──>│феры │──>│проце│──>│усил.│───────│─│────┐ │ \/ │ ┌┐ │
B ──>│ │ │ссор │ ┌>│ │───┐ │ │) ││G │кк /\ ск │ ││ │
└─────┘ └─────┘ │ └─────┘ │ │ │ │ / \ │ ││ │
┌────┐ ┌──────┐ │ │ │ │) ││B │ / \ │ ├┘ │
I ──>│ буф│──>│канал │─┘ └───┼─┼───┘ │ │ │ │ │ │
└────┘ │ ярк. │гашение обр. хода└──────────────────────────\ │
└──────┘───────────────────┘ │ │ │ │ │ \ │
┌──────────────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌─\│
│ ┌────────┐ ┌───┐ ┌────┐ │ │ │ │ │
КСИ ┌─────────┐└─>│фазовый │ │ГСР│ │ УС │───────│────┘ │ │ │
──>│интерфейс│──>│детектор│──>│ │──>│ СР │───────│───────│─┘ │
──>│ СИ │─┐ └────────┘ └───┘ │ │───────│───────│────┘
ССИ └─────────┘ │ └────┘ │ │ +25 Кв
│ ┌───┐ ┌─────────────────────────┘ │ на 3-й
│ │ │ └>┌────┐ ┌────┐ │ анод
└──>│ГКР│──>│ ОУ │────>│ УС │───────────────┘
└───┘ └────┘ │ КР │
┌───────┐ └────┘
220в 50Гц │ Б П ├───> +120v
─────────>│ ├───> +80v
│ ├───> +24v
│ ├───> +5v
│ ├───> +12v
└───────┘
Рисунок 1.10. Блок-схема монитора VGA.

На приведенной схеме:

ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР СТРОК обеспечивает синхронизацию по фазе сигналов строчной развертки с синхроимпульсом ССИ от видеоадаптера.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ОУ) в канале КСИ, поддерживает начало развертки кадра синхронно с КСИ от видеоадаптера и корректирует фазу КСИ в зависимости от реального положения луча. Это позволяет точно выдерживать синхронизацию, устраняя дрожание пикселей и обеспечивая высокую разрешающую способность монитора.

ВЫХОДНОЙ КАСКАД СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ (УС СР) кроме формирования линейного тока развертки лучей в отклоняющей системе, вырабатывает высокое напряжение на фокусирующие электроды ЭЛТ (+6 КВ) и питание 3-го анода кинескопа (+25 КВ).

Блок питания монитора вырабатывает напряжения для выходных усилителей каналов яркости, цветности, строчной и кадровой разверток и дополнительно – напряжения +5 в, +12 в, +24 в для питания логики управления монитором.

Монитор VGA имеет высокое разрешение и подключается только к адаптеру VGA, но сам адаптер VGA может эмулировать также сигналы адаптеров CGA и EGA, т.е. позволяет работать с программами, рассчитанными на VGA, EGA и CGA.

Аналоговые входные сигналы RGB обеспечивают бесконечное число уровней, но видеоплата генерирует только 256 цветов. Сигналы цветности поступают на модуляторы соответствующих цветовых пушек кинескопа, а сигнал яркости - на их катоды.

К устройствам вывода из РС (АРМ) для получения "твердых копий" информации относятся принтеры, плоттеры (графопостроители) и другие подобные устройства.

Контрольные вопросы.

1. Какие типы дисплеев используются в РС?

2. В чем достоинства и недостатки ЖК-дисплея?

3. В чем достоинства и недостатки светодиодных матриц?

4. Какой тип дисплеев чаще всего используется в РС DeskTop и почему?

5. Какие функции выполняет видеокарта?

6. Какие составляющие имеет RGB видеосигнал?

7. Для чего служит видеопамять?

8. Где фактически расположена видеопамять?

9. Чем отличается информация видеопамяти в режиме графики от текстового режима?

10. Какой код принимает и обрабатывает видеосистема в текстовом режиме?

11. Каково назначение фазового детектора строк в видеомониторе?

12. Какую задачу выполняет операционный усилитель в канале кадровой синхронизации видеомонитора?

1.5.2 Система внешней памяти

1.5.2.1) Накопители на гибких магнитных дисках

В компьютерах IBM и совместимых с ними, использовалось более 30 типов НГМД, различающихся диаметром дискеты, высотой накопителя, плотностью записи и другими параметрами. Применялись дискеты диаметром 5,25" и 3,5" с удвоенной плотностью (40 дорожек на две поверхности 5,25" дискеты) и учетверенной (80 дорожек). В первом случае емкость дискеты составляет 360 Кбайт, во втором – 1,2 Мбайт. 3,5" дискеты имеют тоже 80 дорожек на каждой их двух поверхностей дискеты и емкость 1.44 Мбайт (дискеты емкостью 2,88 Мбайт появились, но широкого распространения не получили, из-за недостаточной надежности хранения информации).

Поперечная плотность записи часто обозначается числом дорожек на дюйм TPI (Track-Per-Inch). Так, дискеты с 48-ю TPI – двойной, а с 96-ю TPI – учетверенной, или высокой (high) плотности. Продольная плотность – это число бит на дюйм длины дорожки. Так как запись на дорожке концентрическая, а диаметр дорожек разный (у периферии диска – больше, а у центра – меньше), продольная плотность записи для разных дорожек дискеты разная, но число записанных импульсов (бит) на дорожку, в общем случае, одинаково и не зависит от номера дорожки.

Стандартные параметры дисководов определяют:

- диаметр дискеты,

- высоту дисковода,

- плотность записи,

- тип интерфейса,

- скорость вращения диска.

Для стандартных FDD PC расположение дорожек и число сторон неизменны, и определяются типом дисковода, а число секторов на дорожку и размер сектора определяются программно, в процессе форматирования дискеты. Поэтому гибкие диски еще называют дисками с программной разметкой секторов (Soft-Sector).

Размер сектора НМД , поддерживаемый системой BIOS, может быть 128, 256, 512 и 1024 байт, но
MS DOS ориентирована на размер сектора только в 512 байт.

Контроллеры дисководов в РС/ХТ и /АТ-286 используют частоту синхронизации 250 КГц (емкость 360 Кбайт), а РС/АТ-386 и выше – 500 КГц.

Дисководы 5.25" могли иметь следующие емкости:

- одинарная плотность – 180 Кбайт (уже не встречается),

- двойная плотность – 360 Кбайт (использовались только в очень старых РС-286),

- высокая (учетверенная) плотность – 1.2 Мбайт.

Дисководы 5,25”, как и дискеты для них, уже сняты с производства и могут встретиться только в очень старых компьютерах; впрочем, дисководы 3,5” уже тоже не перспективны, т.к. вытесняются более емкими, надежными, совершенными устройствами обмена информацией между компьютерами – компакт-дисками, DVD-дисками и дисководами и миниатюрными устройствами флешь-памяти.

Дисководы 3,5" более совершенны, чем 5,25” и могли иметь следующие емкости:

- 720 Кбайт (нормальная) – сейчас уже не встречается,

- 1.44 Мбайт (высокая) – обычная для современных РС,

- 2.44 Мбайт (высшая)– в серию так и не вышел.

Дисководы 5,25" на 360 Кбайт имели скорость вращения дискет 300 об/мин и 40 дорожек на каждую из сторон, дисководы 5,25” на 1.2 Мбайт имеют скорость вращения диска 360 об/мин и содержат по 80 дорожек на каждую сторону. Дисководы 3.5" емкостью 1.44 Мбайт имеют носитель с высокой разрешающей способностью и позволяют размещать 80 дорожек на сторону с 17 секторами на дорожку. При этом линейная плотность записи на таком диске может быть даже выше, чем у некоторых старых жестких дисков с 17 секторами на дорожку.

Так как скорости вращения дискет в дисководах невелики и повреждений головками магнитного покрытия дискет на таких скоростях не происходит, головки в рабочем положении прижимаются к поверхности дискет тарированными пружинками.

Для автоматического опознавания контроллером дисковода допустимой плотности записи на дискетах, в накопителях 3.5" имеется датчик плотности записи, а дискеты на емкость 1,44 Мбайт – специальное отверстие. Датчик дисковода определяет наличие или отсутствие этого отверстия и информирует контроллер о необходимой плотности записи, что определяет тактовую частоту и уровень тока записи в головке.

Совместимость дисководов разной плотности.

При работе на дисководе высокой плотности с дискетой удвоенной плотности возникают проблемы, Связанные с тем, что ширина дорожки на дискете емкостью 1.2 Мбайт вдвое меньше, чем на дискете емкостью 360 Кбайт:

- если дискета отформатирована на дисководе 360 Кбайт и записи сделаны на таком же дисководе, то такая дискета свободно читается дисководом на 1.2 Мбайт;

- если же на эту дискету записывать информацию на дисководе 1.2 Мбайт, то читаться дисководом на
1.2 Мбайт она будет, а дисководом на 360Кбайт нет, так как более широкая головка дисковода 360 Кбайт будет видеть одновременно две смежные дорожки от записи емкостью 1.2 Мбайт, т.е. информацию, записанную на двух соседних дорожках сразу;

- в случаях крайней необходимости записи информации на дисководе 1,2 Мбайт, а чтения дискеты – дисководом 360 Кбайт, нужно использовать чистую дискету, новую неформатированную, или старую, но специально размагниченную, разметить эту дискету на дисководе 1.2 Мбайт, но в формате 360 Кбайт, командой

FORMAT A : / F :360 (для DOS версии 4.0 и выше),

или

FORMAT A : / N / T :40 (для DOS версии 3.3),

т. е. разметить диск в формате 40 дорожек, 9 секторов на дорожку и с уменьшенным током записи; тогда, и только тогда , эта дискета, записанная на дисководе 1.2 Мбайт, будет читаться на дисководе малой плотности.

С дисководами 3.5" таких проблем нет, т.к. все 3.5" дисководы имеют одинаковую ширину дорожек.

Сопряжение НГМД с CPU

Функцию сопряжения FDD с CPU выполняет контроллер , освобождающий CPU от низкоуровневого управления приводом FDD: – включение-выключение шпиндельного двигателя, управление позиционированием головок на требуемый цилиндр, поиск и чтение сектора, перевод информации из параллельного кода в последовательный, и дополнение его синхросигналами при записи, обратная процедура при чтении, формирование интерфейса НГМД и т. д. CPU только управляет контроллером с помощью команд и слов состояния. Такая иерархия упрощает программирование ввода-вывода и повышает общую производительность вычислительной системы.

Связь НГМД с контроллером происходит посредством интерфейса SA-450 (фирмы Shugart Associated).

Среда интерфейса – два кабеля:

- кабель питания и

- кабель данных и управления.

Распределение контактов в разъеме питания следующее:

1 - +12в

2 - общий (0v)

3 - общий (0v)

4 - +5в

Распределение интерфейсных сигналов в разъеме данных и управления НГМД приведено в
таблице 1.6.

Таблица 1.6. Распределение сигналов в разъеме данных и управления НГМД:

КОНТАКТ СИГНАЛ ВХОД/ВЫХОД НАЗНАЧЕНИЕ
со стороны ВЫСОК.ПЛОТН. ДВОЙН.ПЛОТН.
контроллера
1,2 reduced write O уменьшить ток записи резерв
3,4 reserved - резерв загрузить
головку
5,6 drive select 3 O выбор привода 3
7,8 index I индекс (начало дорожки)
9,10 drive select 0 O выбор привода 0
11,12 drive select 1 O выбор привода 1
13,14 drive select 2 O выбор привода 2
15,16 motor on O включить шпиндельный двигатель
17,18 direction select O направление шагов
19,20 step O шаг позиционирования головок
21,22 write data O записываемые данные
23,24 write gate O признак записи
25,26 track 0 I головки на нулевой дорожке
27,28 write protect I защита от записи
29,30 read data I считанные данные
31,32 side select O выбор головки (поверхности)
33,34 discette change I дискета сменена готов

все четные контакты разъема - сигналы интерфейса,
все нечетные - общий (0v)

Рекомендованный разработчиками вариант магистральной связи интерфейса НГМД показан на рисунке 1.11.

+5v
SN7438 (К155ЛА3) ┌┴┐ 744LS14 (К155ЛА11,ЛА18)
┌────┐ └┬┘220 oм ┌─────┐
────│ & o─────────┴── ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ──┬─────o 1 │───>
────│ │ 330 ом ┌┴┐ │ │
└────┘ └┬┘ └─────┘
─┴─

Рисунок 1.11. Магистраль связи для НГМД.

Описание сигналов интерфейса RS232C.

Входные от контроллера:

Reduced Write – уменьшить ток записи в головке для амплитудной коррекции, при высокой плотности записи.

Drive Select 0, 1, 2, 3 – выборка дисковода с закоммутированным адресом (номером), соответствующим затребованному. Разрешает выбранному дисководу принимать все остальные сигналы от контроллера и выдавать данные, осведомительные сигналы и состояние – в контроллер.

Motor On – сигнал на включение шпиндельного двигателя. Через секунду после него возможны операции чтения/записи.

Direction Select – при высоком уровне на этом контакте разъема, сигнал STEP перемещает головки в направлении – от центра дискеты к периферии, при низком – от центра, к периферии.

Step – перемещает головку на один шаг позиционирования (на одну дорожку). Длительность сигнала составляет 1 мксек.

Write Data – импульс, длительностью 150 нсек, вызывает запись бита на диск при активном уровне сигнала Write Gate.

Write Gate – признак записи. Разрешает работу канала записи дисковода. Он должен оставаться активным (нижний уровень) в течение 4–8 мксек после последнего записываемого бита данных. Перед поступлением этого сигнала шпиндельный двигатель должен быть включен, а головки прижаты.

Side Select – выбор верхней (при низком уровне SS = L) или нижней (при высоком уровне SS = H) головки (стороны диска).

Выходные от дисковода:

Index – сигнализирует о начале дорожки.

Track 0 – сообщает контроллеру, что головка находится на начальной, нулевой дорожке.

Write Protect – активный уровень сигнала (WP=L) предупреждает контроллер, что запись на дискету запрещена (заклеено окно защиты записи на дискете 5,25", или поднята задвижка защиты записи на 3,5" дискете). При этом запись невозможна и контроллер, при попытке записи, сообщает программе о защите дискеты от записи.

Read Data – выход считанной с дискеты смеси информационных и синхронизирующих сигналов.

Discette Change – используется только в РС/АТ, для сигнализации о проведенной смене дискеты. В РС/АТ копия таблицы FAT дискеты хранится в буфере ОЗУ и используется для поиска нужных секторов. При смене дискеты старая таблица становится недействительной и должна быть считана с дискеты заново.

Формат дорожки НГМД имееет следующую структуру:

| AMS | CRC ams | ПОЛЕ ДАННЫХ | CRC поля Dn | ECC поля данных |

здесь

AMS – адресный маркер сектора в формате: № цил. - № головки - № сектора на дорожке,

CRCams – циклическая контрольная сумма адресного маркера,

ПОЛЕ ДАННЫХ – содержание информации в секторе,

CRC поля Dn – циклическая контрольная сумма поля данных,

ECC – код исправления ошибок в поле данных.

Контроллер i8272 (отечественный аналог – КР1810ВГ72А) предназначен для чтения, записи, форматирования гибких дисков с одинарной (FM), удвоенной (MFM) и высокой плотностью в формате "IBM SYSTEM 34".

Функционирование контроллера НГМД.

Работа контроллера НГМД, на примере чтения сектора.

Процедура чтения сектора состоит из шести шагов:

1) включение шпиндельного двигателя накопителя, соответствующего запрошенному адресу;

2) выполнение команды поиска сектора и ожидание прерывания от контроллера, указывающего, что сектор найден и информация считана в буфер сектора без ошибок;

3) инициализация контроллера DМА, для пересылки данных из буфера сектора контроллера в оперативную память;

4) посылка команды ЧТЕНИЕ буфера сектора и ожидание прерывания от контроллера, указывающего, что пересылка данных в память завершена;

5) получение информации о состоянии (статусе) контроллера;

6) выключение шпиндельного двигателя.

Подробнее:

1) Посылка от CPU байта с адресом дисковода. Например, 1Сh – включить дисковод А:. Бит 2 = 1 в этой команде указывает, что головки должны остаться на текущей дорожке, если же бит 2 = 0, то требуется выполнить рекалибровку дисковода, т.е. предварительно установить головки на нулевую дорожку.

2) Команда ПОИСК передает байт, в котором указан номер искомой дорожки. После окончания поиска дорожки контроллер инициирует прерывание типа IRQ6 (для АТ), по которому BIOS устанавливает бит 7 статуса поиска = 1 (сектор найден).

3) Инициализация DMA (8237), состоящая из пяти шагов:

- посылка кода чтения 46h, или кода записи 4Ah в порты 0В и 0С DMA;

- вычисление 20-битового адреса памяти буфера в DRAM, куда будут посылаться данные из буфера сектора;

- засылка вычисленного адреса в регистры адреса 04h и страницы 81h канала 2 DMA;

- декремент регистра-счетчика байтов канала 2 (порт 05h) DMA;

- разрешение работы канала 2 DMA (передача байта 02h в порт 0Аh).

Инициализация контроллера DMA переводит его в ожидание данных от накопителя, а драйвер обмена данными с контроллером дисковода (BIOS) должен начать посылку командного файла в контроллер НГМД для пересылки данных.

4) Посылка в контроллер дисковода командного файла ЧТЕНИЕ или ЗАПИСЬ, соответственно. После этого через DMA передаются данные из НГМД в ОЗУ, или наоборот.

5) В фазе контроля, контроллером вырабатывается прерывание и происходит его обработка драйвером BIOS, которая считывает и анализирует байты состояния контроллера по команде ЧТЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. Если используются процедуры DOS или BIOS, то байты состояния помещаются в область данных BIOS, начиная с адреса 0040:0042, а байт статуса дискеты сохраняется в адресе 0040:0041.

6) Выключение шпиндельного двигателя происходит через 5 секунд после завершения обмена. Выдержка в 5 секунд нужна, чтобы не проводить заново процедуру включения двигателя, если за это время потребуется новое обращение к НГМД.

Контрольные вопросы.

1. Какие частоты синхронизации используются в FDD?

2. Какую емкость сектора FDD поддерживает MS DOS?

3. Можно ли использовать для чтения/записи на дисководе высокой плотности дискету, отформатированную и записанную на дисководе с удвоенной плотностью записи?

4. Каков порядок поиска нужного сектора на дискете?

5. Какие аппаратно-программные и аппаратные средства РС используются для пересылки считанных с дискеты данных в ОЗУ?

6. Что такое рекалибровка дисковода?

7. Как осуществляется контроль считанной с дискеты информации?

8. Находятся ли в контакте с поверхностью дискеты головки НГМД при чтении/записи?

1.5.2.2) Накопители на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД, HDD,) содержит:

- пакет дисков,

- блок головок чтения/записи,

- привод головок (позиционер),

- плату электроники и интерфейса.

Диски и головки.

Особенность конструкции HDD в том, что диски, головки и позиционер помещены в герметичный бокс, называемый HDA (Head Disk Assembly – сборка жесткого диска) и встроенная в него система циркуляции воздуха содержит наружный и внутренний фильтры, защищающие диски и головки от пыли. Во время работы, НЖМД очень чувствительны к тряске и ударам: микро-аварии головок (кратковременные падения головок на поверхность диска) приводят к неустранимому повреждению магнитного покрытия пластин дисков. По этим причинам разборка HDD, без повреждений накопителя, в неспециализированных условиях практически невозможна.

Воздушная подушка, возникающая при вращении дисков, благодаря аэродинамической форме держателей головок, держит головки над поверхностью дисков на высоте 2-5 мкм, т. е. головки не находятся в контакте с диском, что, вместе с защитой от пыли, позволяет использовать плотность записи в 20 – 30 раз большую, чем на дискетах.

Головки НЖМД по технологии их изготовления могут быть композитными, ферритовыми или тонкопленочными. Первые – тяжелее, обеспечивают зазор между головками и поверхностями дисков в 10-20 микродюймов, сравнительно дешевы, позволяют достичь плотности записи в 1500 TPI. Тонкопленочные – используют специальный полупроводниковый кристалл; они легче, допускают зазор до 6 микродюймов и позволяют достичь плотности записи до 2000 TPI и больше.

Позиционер.

Позиционеры в НЖМД ранее использовались двух типов: с шаговым двигателем (ШД) и с соленоидным приводом (СП), последний называется также позиционером с подвижной катушкой.

Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7. Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами.

ПАРАМЕТР ШД СП

скорость позиционирования малая высокая
чувствительность к темпе-
ратурным изменениям высокая нет
чувствительность к ориен-
тации дисковода высокая нет
автопарковка головок нет есть
обслуживание периодическое нет
надежность малая хорошая
сложность малая высокая
стоимость низкая высокая.

Система с шаговым двигателем – система "открытого управления": сколько выдано сигналов ШАГ, столько и выполнено перемещений головок по цилиндрам. Считается, что головки автоматически точно устанавливаются на дорожки, но, при изменениях температуры, диски сжимаются или расширяются, поэтому позиционирование получается не вполне точным, следовательно, чтение – не вполне устойчивым, особенно при включении холодной системы. В настоящее время жесткие диски с шаговым двигателем не выпускаются и их можно встретить только в очень старых компьютерах типа IBM-286.

Соленоидный привод, вследствие существенных преимуществ перед приводом с ШД, что хорошо видно из приведенной выше таблицы 1.7, начал применяется в накопителях, емкостью более 100 Мбайт и используется во всех современных жестких дисках.

Накопитель с СП имеет специальный сервопривод, следящий за тем, чтобы головка устанавливалась точно на цилиндр. Для этого одна из поверхностей пакета дисков (служебная) содержит специальную информацию, записанную уже на заводе-изготовителе, и не участвует в запоминании данных, не форматируется и не может быть восстановлена после повреждений. Эта поверхность называется DSS (Dedicaded-Servo-Surface) и содержит также индексные метки, соответствующие цилиндрам и секторам диска.

В некоторых типах дисков, сервоинформация пишется в процессе форматирования просто между дорожками. Дисководы с выделенной поверхностью – более быстродействующие и позволяют большие плотности TPI, а с сервоинформацией, встроенной между информационными дорожками имеют большую надежность хранения информации в условиях колебаний температуры, когда взаимные размеры служебного и рабочих дисков могут изменяться.

Соленоидная система привода – это система "с замкнутой петлей управления". Сервосистема, имея 100% отрицательную обратную связь, постоянно следит за положением головок относительно дорожек и корректирует его в процессе работы.

Парковка головок дисководов с соленоидным приводом – пружинная, а дисководов с ШД электрическая, что, в последнем случае, требует автономных источников тока (накопительных емкостей) питания привода для парковки головок при нештатных отключениях питания.

Плата электроники.

Плата электроники, называемая иногда интерфейсной платой, содержит:

1) схемы управления шпиндельным двигателем,

2) схемы управления позиционером,

3) тракт чтения информации с диска,

4) тракт записи информации на диск,

5) элементы конфигурирования дисковода,

6) формирователи сигналов от датчиков ИНДЕКС, TRACK-0,

7) схемы сопряжения электроники диска с интерфейсом дисковой системы по уровням, логике и т.д.,

8) разъемы для подключения компонент накопителя, интерфейса связи с адаптером дисков и питания.

Для выработки сигналов INDEX и TRACK-0, в HDD нет оптических датчиков, как в FDD, а используются специальные индексные дорожки. После включения питания и разгона шпиндельного двигателя ищется служебная дорожка "–1", устанавливается внутренний счетчик цилиндров, головки перемещаются на цилиндр 0 и сигнал TRACK-0 передается через интерфейс контроллеру. Индексная "дорожка –1" содержит специальную метку для опознания дорожки именно как "–1".

Эксплуатационные характеристики HDD.

Номенклатура HDD включает много типов дисководов, отличающихся:

- максимальной емкостью,

- интерфейсом,

- форм-фактором (физическими размерами),

- быстродействием,

- надежностью,

- стоимостью.

Емкость жестких дисков бывает от 20 Мбайт до 80 Гбайт и выше. Дисководы емкостью более 100 Кбайт имеют всегда соленоидный привод и специальное покрытие дисков – напыление магнитного слоя особой структуры, и, тем самым, отличаются повышенными допустимыми продольной и поперечной плотностями записи.

Быстродействие дисковода определяется временем произвольного доступа к информации и зависит от организации хранения данных на диске, скорости вращения пакета дисков и скорости позиционирования головок.

Время доступа к информации на диске складывается из:

1) времени установки головок на требуемый цилиндр и времени успокоения позиционера;

2) времени ожидания подхода искомого сектора к головкам;

3) времени чтения информации с найденного сектора;

4) скорости передачи данных из буфера сектора в DRAM компьютера.

Среднее время установки головок составляет:

для РС/ХТ – 40 - 65 мсек,

для РС/АТ – 28 -40 мсек,

для РС386 – 12 - 20 мсек.

Скорость передачи данных определяется, главным образом, применяемым методом кодирования (FM, MFM, RLL), используемым интерфейсом, наличием буферов данных и их объемами.

Максимальная скорость считывания данных вычисляется как

Vmax = w * N * n * m,

где
w – скорость вращения шпиндельного двигаткля,
N – число секторов на дорожку диска,
n – емкость сектора (количество байтов в секторе),
m – число бит в байте.

Если принять распространенные значения: w = 3600 об/мин, n = 512 байт, m = 8, тогда скорость считывания данных будет определяться количеством секторов на дорожку данного диска

Так, накопитель с 17 секторами на дорожку должен иметь скорость передачи 4.177.920 бит/сек. Реально эту скорость достичь не удается, так как нужно время и для запоминания информации в ОЗУ РС, а пока контроллер и ПДП (или CPU) заняты передачей информации из буфера сектора в ОЗУ, диски продолжают вращаться, так что к концу передачи информации, считанной с предыдущего сектора, следующий сектор бывает уже недоступен (пройден идентификатор следующего сектора) и для чтения требуемого сектора придется ждать еще один оборот диска. Для РС/АТ ранних моделей без прокрутки лишнего оборота мог быть передан только каждый третий сектор, а для РС/ХТ только пятый.

Преодолеть этот недостаток позволяет прием, называемый фактором чередования секторов (Interleave). Смысл его в том, что физические сектора нумеруются (присваиваются адреса) не подряд, а так, чтобы к моменту окончания передачи считанных данных сектора, к головке подходил сектор со следующим по порядку адресом.

Например, при чередовании 3:1 сектора нумеруются в следующем порядке: 1, 7, 13, 2, 8, 14, 3, 9,15, 4 и т. д. Так что, пока контроллер обрабатывает данные из сектора 1, секторы 7 и 13 пройдут мимо головок и к считыванию будет готов сектор 2 и т. д. Выбор фактора чередования (а он устанавливается программно, во время низкоуровневого форматирования диска и записывается как один из параметров конфигурации HDD), должен быть проведен с учетом:

- быстродействия HDD,

- быстродействия контроллера,

- скорости обработки ввода CPU,

- наличия и скорости работы контроллера ПДП.

Вручную все это учесть достаточно сложно, но помогают некоторые программы тестирования из DOS и NU: CALIBRATE, ROM Diagnostic и др.

Важным, с точки зрения возможности установки HDD в корпусе РС, является форм-фактор:

- 5.25" полной высоты (82 мм), сейчас такие диски уже не выпускаются, но в компьютерах, выпущенных в 80 – 90 годы еще встречаются,

- 5.25" половинной высоты (41 мм),

- 3.5" половинной высоты.

Интерфейсы связи НЖМД с контроллером.

Средство связи HDD с контроллером, интерфейс, должен быть строго согласован для обоих этих устройств. В основном используются следующие типы интерфейсов:

ST-506 – с FM-кодированием, очень устаревший, использовался для РС/ХТ;

ST-506/412 – с MFM-кодированием. Этот интерфейс обладает свойством буферизованного (быстрого) поиска. Его достоинство в том, что он имеет встроенные средства автоконфигурирования и может автоматически изменять тип и параметры диска: число головок, номер цилиндра прекомпенсации, зону парковки головок.

Строго говоря, физические параметры, такие, как количество цилиндров (количество дорожек на каждой из поверхностей диска – определяется диаметром диска и шагом позиционера, управляемого от ШД или служебной поверхности DSS), количество головок (рабочих поверхностей пакета дисков), зона парковки головок, емкость неформатированного диска – неизменны и изменены быть не могут. Но для контроллера эти параметры могут быть и переопределены. Так число головок может быть условно увеличено за счет уменьшения числа дорожек, зона парковки при этом тоже изменится (оставаясь физически той же, самой близкой к центру, еще доступной позиционеру). Начальный цилиндр прекомпенсации при этом тоже изменится, но физически опять-таки оставаясь тем же;

IDE (AT BUS) – достаточно современный скоростной интерфейс, самый популярный до недавнего времени;

ST-412/RLL – интерфейс уже устаревший, но RLL-кодирование (Run Length Limited) поддерживает высокую продольную плотность записи (RLL 2,7 – максимальное число неперемагничивающихся элементарных ячеек носителя – 2 из 7). Способы кодирования FM и MFM тоже могут считаться разновидностями RLL: FM = RLL 0,1; MFM = RLL 1,3.

ESDI – вполне современный интерфейс, использует MFM- или RLL-кодирование и очень многие HDD выпускаются именно с этим интерфейсом;

SCSI – относительно новый тип интерфейса, весьма перспективный, поддерживает технологию P&P (Plug and Play – подключил-и-работай), но требует, чтобы HDD имел встроенный SCSI-контроллер, а сам контроллер шины SCSI является только HOST-адаптером, ведущим, выполняющим функции управления исполнительными контроллерами, которые находятся непосредственно в УВВ, и решает задачу стандартного сопряжения со всеми ведомыми УВВ.

Каждый из приведенных здесь интерфейсов требует, для соединений диска с контроллером (адаптером), своих шлейфов, отличающихся количеством проводов, типом используемых разъемов и даже – числом соединительных шлейфов. Полезно знать их разновидности:

Контроллер число проводов и шлейфов

ST506/412 34 управляющего и 20 – данных (два шлейфа)

ESDI 34 управляющего и 20 – данных (два шлейфа)

Адаптер

IDE 40

SCSI 50

Контрольные вопросы.

1. Как обеспечивается необходимый для работы дисковода зазор между головками чтения-записи и поверхностью диска в НЖМД?

2. В каких условиях можно разбирать Head Disk Assembly НЖМД?

3. Какие меры предосторожности следует принимать для защиты НЖМД от микроаварий головок?

4. Какие типы приводов головок используются в НЖМД?

5. В чем состоят достоинства и недостатки соленоидного привода головок НЖМД?

6. Для чего служит сервоповерхность пакета дисков НЖМД?

7. Из чего складывается время доступа к информации на диске?

8. Что такое фактор чередования секторов и как он влияет на производительность дисковой
системы РС?

9. В чем достоинства SCSI-интерфейса?

1.5.2.3) Устройства массовой памяти на сменных носителях

К устройствам массовой памяти на сменных носителях относят устройства, имеющие емкость, значительно превышающую емкость обычных дискет. Эти устройства предназначены для архивации данных, или для переноса больших объемов информации с одного компьютера на другой. В зависимости от назначения, такие устройства выполняются внутренними или внешними, стационарными или портативными. Большинство этих устройств имеют интерфейс SCSI или ATA. Портативные устройства часто имеют интерфейс подключения к параллельному порту, что облегчает их подключение к любому компьютеру, но приводит к проигрышу в скорости передачи информации и к повышенной нагрузке процессора при обмене данными. Устройства на сменных носителях, как дисковые, так и ленточные, могут и не иметь поддержки на уровне ROMBIOS, при этом доступ к ним становится возможным только после инсталляции специальных драйверов.

Сменные накопители на жестких дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках могут иметь различные уровни сменяемости. НЖМД обычно устанавливается в компьютер надолго, и для его смены требуется частично разбирать системный блок. Существуют и специальные накопители, допускающие "горячую" замену (HotSwap) без отключения питания и специальный конструктив, позволяющий снимать и устанавливать их прямо с лицевой панели, не разбирая системного блока. Выпускаются недорогие переходники типа MobileRack, позволяющие использовать, в качестве съемного, обычный АТА-диск, но следует иметь в виду, что обычные накопители все-таки боятся тряски и ударов, опасность которых при их переноске сильно повышается. Поэтому, больший интерес представляют накопители со съемными носителями.

Диски Бернулли.

Диски Бернулли (BernoulliRemovableMediaDrive) используют 3,5" гибкие диски в жесткой кассете, объемом 35 – 150 Мбайт. При вращении диска со скорость 3600 об/мин возникает эффект Бернулли (воздушная подушка), поддерживающий головки на минимальной высоте от носителя, без непосредственного контакта с его поверхностью, подобно обычным НЖМД. По скоростным характеристикам, они близки к обычным НЖМД, а кассета устойчива к внешним воздействиям. Используются интерфейсы IDE, SCSI, или LPT-порта.

Кассетные жесткие диски.

Кассетные жесткие диски (SyQuestRemovableMediaDrives) используют специальные 5,25", 3,5" и 1,8" картриджи с жесткими дисками и, по скоростям обмена, они сравнимы с дисками Бернулли. Кассеты имею большую емкость, но более чувствительны к пыли, ударам и другим внешним воздействиям.

Гибкие магнитооптические диски.

Гибкие магнитооптические диски (FlopticalDrives) представляют собой 3,5" диски сверхвысокой плотности и могут иметь емкости порядка 20 Мбайт (755 дорожек, 27 сект/дор по 512 байт/сектор). Высокая поперечная плотность записи в них достигается применением лазерной системы позиционирования головок. Скорость вращения диска 720 об/мин, интерфейс SCSI, ATA или специальный адаптер, позволяющий использовать их в качестве дисковода А: Накопитель совместим и с обычными 3,5" дискетами 720 Кбайт, 1,44 Мбайт, а с 2,88 Мбайт– только по чтению. Современные устройства LS-120 (LaserServo 120 Мбайт) имеют емкость дискеты 120 Мбайт, по 1736 треков на каждой стороне с зонным форматом записи. Устройство использует интерфейcATAPI и логическую геометрию – 960 цилиндров, 8 головок по 32 сектора на дорожку. Лазерное позиционирование позволяет использовать до 900 сервотреков. Накопитель существенно дешевле специальных магнитооптических устройств, но его удельная стоимость на единицу информации гораздо выше. Новые версии BIOS имеют поддержку этих LS-накопителей и позволяют включать их в последовательность загрузочных устройств.

Магнитооптические диски.

Магнитооптические диски (МОD – Magneto-OpticalDrives), лазерную оптику используют в процессе магнитной записи . В них существенно уменьшен размер перемагничиваемых зон, потому что при записи зона перемагниченности определяется не шириной зазора магнитной головки, а только размером точки носителя, разогретой в данный момент лазерным лучом. Эти диски устойчивы даже к сильным внешним магнитным полям. Их емкость составляет от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт. Устройства имеют интерфейс SCSI, или IDE и различаются плотностью размещения треков, методами модуляции – PWM (PulseWidthModulation – широтно-импульсная модуляция), РРМ (PulsePositionModulation – позиционно-импульсная модуляция), RLL 2.7 или RLL 1.7. Форматирование МОD на верхнем уровне может выполняться в стиле дискет или в стиле НЖМД. В первом случае, диск представляется в виде очень большой дискеты, в нулевом логическом блоке которой имеется программа-загрузчик (IPL) и дескриптор носителя, без таблицы разделов (PartitionTable). При форматировании в стиле НЖМД, диск начинается с таблицы разделов и для ОС выглядит как жесткий диск, который, в случае SCSI-интерфейса может обслуживаться BIOSHOST-адаптера без всяких дополнительно инсталлируемых драйверов. Это позволяет загружать ОС с МОD, но не всякая ОС может верно отреагировать на смену носителя. Это может привести к потере данных, если ОС, после смены носителя, не обновит дескриптор носителя и FAT. Кстати, смена носителей в системе Macintosh иная, чем в IBM РС, поэтому накопители МОD с интерфейсом SCSI имеют переключатель "Mac-PC”, который должен быть установлен корректно. Форматирование МОD занимает до получаса, поэтому имеет смысл приобретать уже предварительно отформатированные диски.

Накопители на компакт-дисках.

Накопители CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) используются в РС, в основном, для распространения и хранения дистрибутивных SOFT-продуктов, так как их емкость (до 650 МБ) и надежность хранения данных намного превышают те же показатели магнитных дискет. Параметры, приводимые в документации на CD-ROM-дисководы, характеризуют, в основном, их производительность, которая зависит от времени доступа, скорости передачи данных, наличия и емкости внутренних буферов и типа используемого интерфейса.

Дисководы CD - ROM по устройству напоминают НГМД, но имеют более сложную головку считывания. Головка состоит из лазерного излучателя, фотоприемника и зеркала, закрепленных на подвижной каретке. На той же каретке, на качающейся подвеске находится фокусирующая линза, управляемая подвижной катушкой. Привод подвески линзы, под управлением контроллера, встроенного в накопитель, обеспечивает точную фокусировку лучей оптической системы. При юстировке оптической системы, линза устанавливается параллельно плоскости диска с помощью регулировочных винтов на каретке. Механика привода достаточно проста, но неаккуратная чистка этой пластмассовой линзы может оставить на ее поверхности микроскопические царапины и тогда считывание данных с диска станет неустойчивым. Существуют дисководы с самоочищающимися линзами (Self-cleaninglenses) и для защиты от пыли могут иметь двойные пылезащитные шторки (DriveSealing).

Наиболее простые дисководы имеют механизм лоточной подачи дисков, но при этом диск приходится брать руками; при этом диск можно уронить, испачкать, или поцарапать. В более совершенных накопителях (CaddyType) компакт-диск укладывается в специальную защитную кассету типа 3,5”-дискеты и эта кассета просто вставляется в накопитель. Это предохраняет диски от случайного повреждения и позволяет загружать их в дисковод в любом положении. При частой смене дисков желательно иметь несколько таких кадди-кассет и даже прямо в них хранить архивные диски.

Накопители CD-ROM имеют форм-фактор соответствующий 5,25" дисководу половинной высоты.

Для компактных вариантов компьютеров существуют и малогабаритные накопители, размещающиеся прямо в корпусах Lap-Top или Note-Book.

Минимальной адресуемой единицей информации на диске является сектор, могущий содержать 2048 байт данных, защищенных от ошибок ECC-кодом, или 2324 (2336) незащищенных байт аудио/видео информации. Последовательность секторов одного назначения (формата) объединяется в трек. Минимальный размер трека – 300 секторов, максимальный – весь диск, на диске может быть до 99 треков. Начальный трек хранит информацию об организации диска (VTOC – VolumeTableOfContents).

Время доступа к данным на CD-ROM определяется так же, как и для жестких дисков. Оно равняется времени задержки между получением команды на поиск данных и моментом считывания первого бита данных. Это время для восьмискоростного (8х) CD-ROM составляет 100 мсек. и, в общем случае, уменьшается с увеличением скорости вращения диска. Напомним, что запись на CD-ROM происходит всего на одну спиральную дорожку длиной более 5 км (221188 витков с поперечной плотностью записи около 600 витков/мм). Продольная плотность записи не зависит от радиуса витка, потому что угловая скорость вращения диска изменяется от витка к витку так, чтобы линейная плотность записи оставалась постоянной на протяжении всей спирали.

Первые накопители имели собственные интерфейсы Sony, Panasonic, Mitsumi – по именам их производителей. Все эти интерфейсы напоминают 8-битовый вариант шины АТА, но несовместимы ни с ней, ни друг с другом, и требуют специальных драйверов, соответствующих типу дисковода. Современные CD-дисководы выпускаются с интерфейсами SCSIи АТА (ATAPI), и поддержку CD-ROM часто встраивают в BIOS. При этом, для устройства АТА, тип диска указывать не нужно, он будет опознан автоматически. В дисковый сервис Int13h введены новые функции, позволяющие для накопителя CD-ROM эмулировать дискету или жесткий диск LBA, а также загружать ОС с CD-ROM. Спецификация загружаемого диска позволяет создавать на CD образ системной дискеты 1,2 Мбайт, или 1,44 Мбайт, или образ жесткого диска, с которых может быть загружена ОС.

Для подключения накопителей CD-ROM к системе, используются, в основном, три разновидности интерфейсов:

- SCSI/ASPI (Small Computer System Interface/ Advanced SCSI Programming Interface);

- IDE/ATAPI (Integrated Drive Electronics/ AT Attachment Packet Interface);

- специализированные, "фирменные" интерфейсы.

Взаимодействие между CD-ROM и HOST-адаптером SCSI, а также другими совместимыми устройствами, осуществляется с помощью стандартного программного интерфейса ASPI. Он состоит из двух частей:

1) программы-драйвера ASPI-Manager, обеспечивающей взаимодействие HOST-адаптера SCSI с операционной системой и общее взаимодействие устройств с шиной SCSI;

2) входящих в систему ASPI драйверов для отдельных подключаемых к интерфейсу устройств. С помощью каждого из индивидуальных драйверов организуется взаимодействие периферийного устройства с основным (HOST) SCSI-адаптером и программой ASPI-Manager.

SCSI/ASPI наиболее подходящий интерфейс для CD-ROM. Он позволяет добиться высокой производительности системы и подключать к HOST-адаптеру 7 и более дисководов, но SCSI-интерфейс достаточно дорог, и если не планируется подключать к шине SCSI никаких других периферийных устройств, кроме накопителя CD-ROM, более рационально – установить интерфейс IDE/ATAPI.

IDE/ATAPI является дополнением к интерфейсу АТА (АТ Attachment), к которому обычно подключаются НЖМД. Строго говоря, ATAPI – это стандартный программный расширенный интерфейс для накопителей CD-ROM, который преобразует команды SCSI/ASPI к стандарту IDE/ATA. Он позволяет быстро приспособить новые модели дисководов к работе с интерфейсом IDE и сохранить совместимость IDE-накопителей CD-ROM с программой MSCDEX, обеспечивающей их взаимодействие с DOS. В Windows имеетсядрайвердля CD-ROM – CDFS VxD (CD File System Virtual Device). Дисководы ATAPI иногда называют расширенными IDE-накопителями (Enhanced IDE), поскольку в них используется одноименный интерфейс (электрически – АТА).

В большинстве случаев IDE/ATA-накопители CD-ROM подключаются ко второму разъему (каналу) интерфейса, а первый – используется для НЖМД. Во многих современных звуковых платах также устанавливаются драйверы ATAPI и специальные разъемы для подключения CD-ROM, но к одному вторичному IDE-разъему можно подключить не более двух дисководов CD-ROM, иначе – лучше использовать SCSI.

Существуют и другие немаловажные для эксплуатации CD-ROM факторы, такие как:

- пылезащищенность;

- автоматическая очистка линз;

- тип накопителя – внешний, или встраиваемый в РС.

Пылезащищенность важна для CD-ROM, как ни для одного из других устройств РС, так как пыль и грязь, попадающие в оптическую систему или механизм накопителя, приводят, в лучшем случае, – к снижению быстродействия системы (при ошибках чтения потребуются повторные поиск и чтение секторов), а то и к потере читаемости дисков. В некоторых накопителях узлы оптической системы размещаются в специальных герметизированных отсеках, а в других – используются своеобразные "шлюзы" из заслонок (внутренней и внешней). Для чистки линз оптической системы CD-ROM можно воспользоваться специальным чистящим диском, но некоторые современные модели накопителей CD-ROM имеют собственное, встроенное устройство для автоматической чистки линз от пыли.

Дисководы CD-ROM выпускаются в двух исполнениях: внешний дисковод, и дисковод, встраиваемый в системный блок. Внешний тип накопителя более прочен, чем встраиваемый, но он больше по габаритам и занимает отдельное место на столе. Такой тип следует выбирать, если в системном блоке РС нет свободного отсека для установки CD-ROM-накопителя, или недостаточен запас мощности источника питания (внешний накопитель имеет собственный источник питания), или один и тот же накопитель планируется подключать по очереди к нескольким компьютерам. Если в каждом из них уже установлен свой HOST SCSI-адаптер, то достаточно отсоединить разъем накопителя от одного РС и подключить к другому. Если подобных требований нет, то лучше использовать встроенный накопитель. Дополнительное удобство встроенного накопителя состоит в том, что его можно подключить к внутреннему разъему звуковой карты, а внешние разъемы шины использовать для других целей.

Записываемые оптические диски (CD-R), уже при изготовлении, имеют нанесенную ровную спиральную дорожку, по которой позиционируется записывающая головка. В отличие от магнитных и магнитооптических дисков, обеспечивающих произвольный доступ к искомой дорожке, как по чтению, так и по записи, на CD-R непрерывным потоком может быть записан только целый трек оптического диска. Так что по записи, CD-R является устройством с последовательным доступом. По утверждению изготовителей, время жизни записанных дисков CD-R составляет 75 лет – для "зеленых" и 100 – лет для "золотых" дисков. Однако срок хранения диска до записи составляет всего 5-10 лет. В обозначении модели дисковода указываются его параметры: скорость записи, скорость считывания и объем буфера. Так, например, модель CDR-102 (2x4/512K) имеет скорость записи 2х (2х150=300 Кбайт/сек), скорость считывания 4х и объем буфера 512 Кбайт. Время наработки на отказ у CD-R значительно меньше, чем у CD-ROM. Время доступа к данным у CD-R больше, а скорость считывания ниже, чем у CD ROM из-за более сложной и тяжелой головки. Поэтому использовать CD-R – как CD-ROM, для регулярной работы, нецелесообразно.

Устройства с возможностью многократной записи на оптический диск называются CD-RW (ReWritable –перезаписываемые). В них используются многослойные диски с отражательной поверхностью, перед которой находится слой вещества, с изменяемой фазой состоянии (аморфное – кристаллическое). Это состояние при записи изменяется под воздействием лазерного луча. При считывании, лазерный луч оказывается промодулированным, вследствие разницы отражательной способности точек слоя, находящегося в аморфном или кристаллическом состоянии. Записанный таким способом диск может быть считан и обычным CD-ROM накопителем, если в него установлен достаточно чувствительный считывающий элемент.

Практически все CD-накопители могут воспроизводить и аудио-диски, для чего имеют встроенные ЦАП и аналоговый интерфейс с линейным выходом стереосигнала. Для проигрывания аудиодисков, накопители часто имеют кнопку, по которой можно включить воспроизведение без помощи программных средств. Если при запуске аудио диска индикатор на лицевой панели накопителя светится, а звука нет, то причиной может быть несовпадение аналогового интерфейсного кабеля с разъемом звуковой карты. В принципе, возможно считывание аудиоинформации с дисков в цифровой форме, по интерфейсу передачи данных, для дальнейшей цифровой обработки, или сохранения ее на другом носителе, но эту функцию поддерживают не все CD-накопители, хотя есть и накопители, считывающие аудиодиски с выходом на интерфейс, применяемый в цифровой аудио аппаратуре.

PD / CD – комбинированный накопитель, записывающий информацию на специальный носитель по методу изменения фазы вещества (Phase СhangeDisk), как в CD-RW. Носитель – многослойный диск в защитном картридже. В отличие от CD с одним спиральным треком, PD имеет концентрические треки , как у магнитных дисков. Шпиндельный двигатель накопителя поддерживает постоянную угловую скорость вращения, следовательно, дисковод имеет произвольный доступ к дорожкам. Время на разгон и торможение диска при переходе на другой трек не тратится, поэтому время доступа к данным, по сравнению с CD ROM, заметно снижается. Емкость PD-диска, как и у CD, составляет 650 Мбайт, но PD-диск не может быть считан накопителем CD-ROM. Однако, комбинированные устройства PD/CD (например, модель PD650) считывают и обычные CD, а тип установленного носителя, дисководом определяется автоматически. Большое преимущество PD перед CD – возможность многократных циклов стирания-записи, а недостаток – их несовместимость с CD.

Накопители на DVD -дисках.

По мере совершенствования технологии CD и их приводов, возникла потребность в увеличении емкости оптических носителей информации.

Фирма Sony, в союзе с восемью другими фирмами, в 1995 году предложила новый универсальный формат записи на CD – DVD (DigitalVersatileDisk), который был активно поддержан практически всеми ведущими мировыми компаниями, потому что DVD удовлетворяет практически всем требованиям к воспроизведению видеоизображений, а также и к хранению цифровых данных. Иногда диски формата DVD отождествляют с цифровыми видеодисками DigitalVideoDisks, однако они не тождественны, т.к. последние являются только предшественниками дисков нового универсального стандарта Versatile.

DVD ( Digital Video Disk ) – диски, первоначально предназначавшиеся для цифровой видеозаписи с высокой плотностью, сейчас уже широко используются в компьютерной технике для записи и хранения цифровой информации. DVD-дисководы имеют форм-фактор такой же, как у CD-дисководов. Для повышения емкости, в них уменьшена ширина трека и размер хранящей ячейки, и снижена избыточность кодов коррекции ошибок (ECC).

Как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм и толщину 1.2 мм.

В соответствии с первоначально принятым соглашением, DVD-диск выполняется односторонним и может содержать до 4,7 Гбайт информации (на самом деле – 4,3 Гбайт; производители DVD-дисков и накопителей в рекламных целях неверно трактуют единицы измерения информации).

В накопителях формата DVD рабочая длина волны, излучаемая лазером, по сравнению с CD, снижена с 0,78 до 0,63-0,65 мкм, что обеспечило возможность уменьшения штриха записи практически вдвое, а расстояние между дорожками записи – с 1,6 до 0,74 мкм. Кроме того, в накопителях стандарта DVD используется более узкой луч лазера, чем в приводах CD-ROM, поэтому толщина защитного слоя диска была снижена вдвое – до 0,6 мм. С учетом того, что общая толщина диска должна была остаться 1,2 мм, под предохранительный слой был помещен укрепляющий. На выполненном из соответствующего материала укрепляющем слое также можно записывать информацию. Это привело к появлению двухслойных дисков. Когда лазерным лучом считывается информация, записанная на втором слое, расположенном в глубине диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую первый, наружный слой диска. Для считывания информации с первого слоя, оптическая система дисковода, по команде контроллера, меняет фокусировку луча так, чтобы луч был сфокусирован в плоскости первого, наружного полупрозрачного слоя.

Спецификация DVD сначала разрабатывалась для одностороннего однослойного диска, но позже появилась конструкция двухслойного диска, емкостью 8,5 Гбайт. Так, следующим шагом в развитии технологии DVD явилось создание двусторонних дисков, как однослойных, так и двухслойных, при этом емкость диска доведена до 9,4 Гбайт и 17 Гбайт соответственно.

В случае двустороннего DVD-диска используются два диска толщиной 0,6 мм, склеенные нерабочими сторонами в один диск, стандартной толщины в 1,2 мм. Для доступа к данным на второй стороне двустороннего диска его приходится переворачивать вручную. Несмотря на то, что этот промежуточный формат стал частью спецификации, предпочтительными следует считать приводы DVD, оснащенные двумя независимыми считывающими системами.

В настоящее время DVD-накопители выпускаются в разных модификациях, различающихся количеством рабочих сторон (SS, SingleSide – односторонние; DS, DualSide – двусторонние) и рабочих слоев на стороне (SL, SingleLayer – однослойные; DL, DualLayer – двухслойные). Существуют диски емкостью 4,7 Гбайт (SS/SL), 8,5Гбайт (SS/DL), 9,4 Гбайт (DS/SL) и 17 Гбайт (DS/DL).

Решающим достоинством спецификации DVD является и тот факт, что приводы DVD совместимы с CD -дисками как по чтению, так и по записи.

Спецификация HD - DVD и технология FMD .

В мае 2005 года корпорация Toshiba объявила о разработке трехслойного диска HD-DVD-ROM, емкостью 45 Гбайт. Емкость одностороннего однослойного диска стандарта HD-DVD-ROM составляет
15 Гбайт, однослойного двустороннего – 30 Гбайт. Достоинством формата HD-DVD, разрабатываемого совместно фирмами Toshiba и NEC, является его совместимость на физическом уровне с форматом DVD. Этому стандарту покровительствует организация DVD-Forum, кроме того, и Microsoft заявила о своем желании включить поддержку HD-DVD в новой операционной системе Longhorn.

Флуоресцентные диски.

Перспективным может оказаться и технология FMD (FluorescentMultilayerDisk – многослойный флуоресцентный диск), разрабатываемая компанией C3D (Constellation 3D). Характеристики FMD поражают воображение: диск, размером со стандартный CD, вмещает до терабайта данных, при этом скорость чтения с него, может достигать 1 Гбайт/сек.

В основе работы FMD лежит не отражение от подложки лазерного луча, как у CD- и DVD-дисков, а флуоресценция – свечение вещества под воздействием луча лазера. Количество слоев в FMD, в существующих образцах, – несколько десятков, но теоретически их количество можно довести до тысячи, причем угловая скорость вращения диска в приводе будет даже меньше, чем у CD.

У многослойных дисков CD и DVD возникает проблема. Вследствие интерференции и некоторых других факторов, оказывается сложным различать свет, отраженный от разных слоев диска. Принцип работы флуоресцентного диска иной. Вначале, луч лазера фокусируется на определенном слое и вызывает его флуоресценцию, которая и регистрируется фотоприемником, причем материал, содержащий записанную информацию, при прохождении через него света, изменяет длину волны этого света. Чем больше путь луча света, тем большей становится длина его волны, поэтому есть возможность определять, где лежит слой, с которого происходит считывание. Более того, возможно одновременное считывание информации с нескольких слоев, лежащих один над другим.

Голографические накопители.

Голографические накопители HVD (HolographicVersatileDisk), как и флуоресцентные, тоже используют принцип хранения информации по всему объему запоминающего материала. Но, в отличие от флуоресцентных дисков, на светочувствительном материале с помощью лазерного излучателя регистрируются одновременно все фазовые характеристики (голограмма)записываемого объекта. В цифровом приложении, этот объект – цифровая матрица записываемой информации. По данным французского сайта Clubic, голографические накопители теоретически способны обеспечить скорость считывания данных до 1 Гбайт/сек. Первые серийные образцы голографических накопителей, емкостью 200-300 Гбайт, фирма Optware собиралась представить уже в 2006 году, а приводы под носители HVD, емкостью в 1 Тбайт – в 2007 году.

Стримеры.

Накопители на магнитной ленте (стримеры) являются типичными устройствами последовательного доступа. Носители – кассеты с магнитной лентой различного размера и емкостью – от 20 Мбайт до 2 Гбайт и более. Простейшие стримеры имеют интерфейс, совместимый с контроллерами НГМД, а более сложные используют собственную интерфейсную карту, или встроенный контроллер с интерфейсом SCSI или ATA (ATAPI). Стримеры с интерфейсом SCSI, внутреннего или внешнего исполнения, имеют большую производительность и поддерживаются большинством ОС на системном уровне.

Мини-картриджи для стримеров (Quarter-InchCartridgeQIC) содержат ленту, шириной ¼" (6,25 мм). Распространенные стандарты QIC 40 и QIC 80 имеют продольную плотность записи 10000 бит/дюйм на 20 дорожках и 14700 бит/дюйм на 28 дорожках соответственно, и позволяют хранить сотни мегабайт на одной ленте. Еще большие объемы обеспечивают стандарты QIC 1350 и QIC 2100 – 1,35 Гбайт и 2,1 Гбайт соответственно, а большие QIC-картриджи вмещают до 13 Гбайт. Стримеры на кассетах для цифровой звукозаписи DAT (DigitalAudioTape) позволяют хранить до 12 Гбайт, а стримеры на 8-мм ленте с наклонно-строчной записью (как на видеокассетах) – до 20 Гбайт. Используются стримеры исключительно для архивного хранения очень больших объемов информации

С появление столь емких и надежных носителей и их приводов, как CD, DVD, HD-DVD, в цифровой вычислительной технике становится возможным сохранять в архивах, а не на рабочем магнитном диске, большие объемы информации, вплоть до дампов системных, программных и даже файловых областей рабочих жестких дисков.

Контрольные вопросы.

1. Для чего предназначены устройства массовой памяти на сменных носителях?

2. В чем особенности подключения накопителей на сменных магнитных дисках?

3. В чем особенности дисков Бернулли?

4. В чем заключаются недостатки жестких кассетных дисков по сравнению с дисками Бернулли?

5. Из чего складывается время доступа к информации на CD-ROM?

6. Как ускоряется время доступа к данным CD-ROM?

7. Какие разновидности интерфейсов подключения CD-ROM применяются в настоящее время?

8. Каково назначение программы-драйвера ASPI-Manager?

9. Как организуется взаимодействие периферийного устройства CD-ROM с основным (HOST) SCSI-адаптером и программой ASPI-Manager?

10. В чем состоит удобство использования технологии SCSI?

11. В каком случае более рационально установить интерфейс IDE/ATAPI?\

12. Какие существуют способы чистки линз накопителей CD-ROM?

13. Как провести конфигурирование HOST SCSI-адаптера?

14. Какое программное обеспечение необходимо для нормального функционирования CD-ROM?

15. Как правильно инсталлируется программное обеспечение накопителя CD-ROM?

1.5.3 Средства коммуникации компьютера

Персональные компьютеры снабжаются внешними интерфейсами, позволяющими расширить его функциональные возможности, подключая к нему через эти интерфейсы разнообразное периферийное оборудование, и обеспечивать коммуникации с другими АПС. В основном, средства коммуникации РС включают в себя COM-, LPT-, Game- и MIDI-порты, а также сетевые средства связи. Для обмена информацией между компьютером и высокоскоростными периферийными устройствами можно также воспользоваться возможностями USB-шины или шины FireWire (IEEE 1394). Обе эти шины используют высокоскоростной последовательный интерфейс но, с точки зрения коммуникационных задач, различаются тем, что шина USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к хост-компьютеру. Единственный, но необходимый в той системе компьютер управляет всеми функциями – физическими периферийными устройствами, хабами или их комбинациями.

Шина IEEE 1394, в отличие от USB, позволяет интенсивный обмен не только между хост-компьютером и периферийными устройствами, а между любыми подключенными к ней интеллектуальными устройствами. Шина 1394 не требует централизованного управления со стороны РС, может даже его не иметь, или наоборот, подключать несколько РС. В последнем случае, шина 1394 может быть использована для объединения нескольких компьютеров и периферийных устройств в небольшую локальную сеть.

История интерфейсов соединения РС с удаленными устройствами подтверждает теорию спирального развития. Так, последовательный интерфейс COM-порта RS-232C, пришедший от связи с удаленными терминалами, использовался даже для подключения лазерных принтеров, но вскоре он был вытеснен из принтерных интерфейсов параллельным интерфейсом Centronics, реализуемым LPT-портом. Однако, по мере роста производительности принтеров, возможностей LPT-порта, даже с использованием быстродействующих режимов обмена IPP и ECP стандарта IEEE 1284, становится недостаточно. Те же проблемы встают и с подключением сканеров, внешних дисков, скоростных модемов и т. д. В результате исследований оказалось, что повысить скорости обмена можно переходом снова на последовательный интерфейс, дополнительно снимающий проблемы изготовления многожильных кабелей, с нормированными параметрами задержек сигналов, и многоконтактных разъемов.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно – байта) передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В РС традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном интерфейсе биты данных передаются последовательно, друг за другом, по одной линии. Для этого в РС используется
СОМ-порт в соответствии со стандартом RS-232C, но последние модели компьютеров имеют, как правило, и высокоскоростной канал последовательного типа, с шинами USB.

Очевидно, что, при одинаковом быстродействии приемо-передающих цепей и пропускной способности линий связи, по эффективной скорости передачи данных параллельный интерфейс должен превосходить последовательный, однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи, ограничивается волновыми характеристиками соединительных кабелей. В случае параллельного интерфейса, при повышении скоростей передачи данных начинает сказываться различие в задержках сигналов в разных линиях одного и того же интерфейса, вследствие не полной идентичности их проводов и контактных соединений. В последовательных интерфейсах, среда передачи данных тоже вносит ограничения на скорость передачи данных. Но, т.к. для последовательной передачи данных используется всего одна линия, а не набор линий, как в параллельных интерфейсах, фактор разброса задержек в разных линиях в последовательных интерфейсах отсутствует. Таким образом, повышение пропускной способности последовательного интерфейса оказывается дешевле, чем параллельного. К примеру, два пучка коаксиальных кабелей, каждый пучок толщиной в руку (параллельный интерфейс канала ЕС ЭВМ), и современный USB-кабель (последовательный интерфейс) имеют примерно одинаковую пропускную способность.

Важным параметром любого интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Помехи возникают от внешних источников электромагнитных излучений, и от соседних линий того же интерфейса (перекрестные помехи). Для защиты от таких помех используются парафазные приемо-передатчики и витые, даже экранированные пары проводов для каждой из линий передачи данных. Но ошибки в передаче возникают и от искажений уровней сигналов . В параллельном интерфейсе CentronicsLPT-порта, используются сигналы уровней ТТЛ-логики (<0,8 В для логического нуля и >1,4 В для логической единицы), так что колебания амплитуды сигнала около 1 В могут вызвать дребезг приемника. В последовательном интерфейсе RS-232C СОМ-порта, используются сигналы с уровнем от –12 до –3 В (логическая единица) и от +12 В до +3 В (логический нуль), так что переключения приемника при изменениях сигнала в пределах от –3 до +3 В не происходит. Столь большая разница в помехозащищенности позволяет использовать для интерфейса RS-232C кабели длиной в десятки метров, а для интерфейса Centronics – лишь два-три метра.

С появлением интерфейсов USB и FireWire, появилась и новая характеристика интерфейса – топология соединения. Для интерфейсов RS-232C и Centronics практически однозначно применялась двухточечная топология РС – ВУ, или РС–РС. Правда, имелись исключения: строился моноканал на СОМ-портах для локальных сетей, но он был вытеснен более эффективной и подешевевшей технологией Ethernet. Стандарты IEEE 12843 для LPT-порта предусматривают соединения абонентов в цепочку (DaisyChain) или через мультиплексоры, но и такие способы подключения пока широкого распространения не получили. USB и FireWire реализуют древовидную топологию , в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и разветвителями.

Другое важное свойство интерфейса – гальваническая развязка . “Схемные земли” устройств, связываемых по COM- или LPT-портам, оказываются связанными со схемной “землей” РС и, если между ними, до подключения интерфейса, была разность потенциалов (что практически всегда есть), то по общему проводу интерфейса потечет уравнивающий ток. Это очень плохо, т.к. падение постоянного напряжения на этом проводе приводит к смещению уровней сигналов, а падение переменного напряжения – к сложению полезного сигнала с переменной составляющей помехи, что, безусловно, сказывается на помехозащищенности каналов. С другой стороны, в случае обрыва, или неконтакта, а чаще всего – при подключении и отключении кабелей интерфейсовбез выключения питания устройств , разность потенциалов прикладывается к сигнальным цепямприемников и передатчиков. Протекание через них уравнивающих токов, в момент соединения, неизбежно приводит к выходу их из строя. Из рассматриваемых интерфейсов гальваническую развязку обеспечивает только MIDI (одностороннюю, с напряжением до 100 вольт) и шина FireWire (полную, с напряжением изоляции до 500 вольт).

1.5.3.1) Коммуникационные порты СОМ и LPT

LPT -порт.

Порт параллельного интерфейса был введен в РС для подключения принтера (отсюда и его название L ineP rinT er – построчный принтер) и, хотя через него подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу работы не построчные, а постраничные, название порта “LPT” закрепилось основательно.

LPT- порт, для организации вывода по интерфейсу Centronics, поддерживается функциями BIOS. В процессе начального тестирования, POST-программа проверяет наличие параллельных портов по адресам 3BCh, 378h и 278h. и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки оперативной памяти РС 0:0404h, 0:040Ah, 0:040Ch, 0:040Eh, области BIOSDATAAREA. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами LPT1 – LPT4, соответственно, причем нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с этим номером.

Контроллер порта содержит три регистра, размещенных в пространстве адресов ввода-вывода микропроцессора. Регистры порта адресуются относительно базового адреса , стандартные значения которого – 3BCh, 378h или 278h. Это регистры:

1) DR (DataRegister) – 8-битовый регистр данных, содержимое которого выводится на линии Data [0/7] разъема порта. Адрес регистра DR равняется базовому. Тот же регистр DR, с использованием специальной процедуры, позволяет и принимать данные с линий Data [0/7]. Так, если в регистр DR сначала записать все единицы, а на контакты [2/9] разъема LPT-порта подать от терминального устройства через тот же интерфейс какой-либо другой код, то регистр DR запомнит этот код без всякого строба. Теперь микропроцессор может прочитать данные этого регистра DR и тем самым выполнить операцию ввода байта от терминального устройства;

2) SR (StatusRegister) – 5-битовый регистр ввода в порт состояния принтера, принимает сигналы Select, PaperEnd, Ack и Busy, соответственно. Адрес регистра на единицу больше базового;

3) CR (ControlRegister) – 4-битовый регистр управления, вырабатывает сигналы Strobe#, AutoLF#, Init#, и SlctIn#, соответственно. Подобно регистру данных позволяет и прием данных с разъема интерфейса. Адрес регистра на 2 больше базового.

Поиск портов по базовому адресу предполагаемого порта производится следующей процедурой:

- в регистр DR контроллера порта выводится тестовый байт AAh или 55h;

- затем выполняется ввод с того же адреса;

- если считанный байт совпал с записанным, считается, что LPT-порт найден и его адрес помещается в область данных BIOS.

Обнаруженные порты инициализируются записью и съемом в их регистры управления сигнала Init#, а затем – записью значения С0h, соответствующего исходному состоянию сигналов интерфейса.

BIOS поддерживает до трех, или четырех LPT-портов прерыванием INT17, обеспечивающим связь по интерфейсу Centronics. Этим сервисом драйвер порта осуществляет по готовности, не используя аппаратных прерываний, инициализацию, опрос состояния интерфейса, принтера и – вывод символа.

Программное прерывание BIOSINT17h обеспечивает следующие функции:

1) 00h – вывод символа из регистра AL микропроцессора по протоколу Centronics. При этом выводимые данные помещаются в выходной регистр порта и, дождавшись готовности принтера (снятие сигнала BUSY), формируется строб данных Strobe#;

2) 01h – инициализация интерфейса и принтера (установка начальных уровней управляющих сигналов);

3) 02h – опрос состояния принтера, чтение его регистра состояния.

При вызове INT17, номер функции задается в регистре АН микропроцессора, номер порта – в регистре DX. При возврате после любой функции, регистр АН содержит код состояния: биты регистра RS [7:3] (причем биты 6 и 3 инвертированы) и в бите 0 – флаг тайм-аута, который устанавливается при неудачной попытке вывода, если сигнал BUSY не снимается в течение времени, определяемого для данного порта.

Аппаратный интерфейс LPT -портов.

Стандартный LPT-порт является однонаправленным, его сигналы выводятся из компьютера на 25-контактный разъем DB-25S (розетка), который устанавливается непосредственно на плате контроллера. Если же контроллер порта интегрирован непосредственно в системную плату компьютера, то разъем LPT-порта может располагаться или на системной плате, или на вставке задней стенки системного блока. В последнем случае, разъем порта на системной плате соединяется с разъемом на задней стенке плоским шлейфом.

Каждый LPT-порт использует свою линию аппаратного запроса прерывания IRQ7 или IRQ5, 8-битовую внешнюю шину данных, 5-битовую шину сигналов состояния и 4-битовую шину управляющих сигналов.

Понятие интерфейса Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему, устанавливаемому на принтерах. Отечественный аналог интерфейса Centronics интерфейс ИРПР-М.

Назначение сигналов интерфейса Centronics и их распределение по разъему принтера приведено в таблице 1.11.

Таблица 1.11. Сигналы интерфейса Centronics.

Процедура вывода байта состоит из следующих шагов:

1) вывод байта в регистр данных,

2) опрос регистра состояния и, если терминал не готов, ожидание готовности устройства (принтера),

3) установка сигнала строба данных.

Для вывода одного байта требуется, по меньшей мере, 4–5 машинных операций ввода-вывода с регистрами порта, так что скорость обмена невысока, при значительной нагрузке микропроцессора. Стандартный порт удается разогнать до скоростей, порядка всего 100-150 Кбайт/сек, при полной загрузке процессора, что явно недостаточно для печати на лазерный принтер.

Недостатки стандартного порта частично устраняли новые типы портов, появившиеся в компьютерах семейства PS/2, но, не будучи стандартизованными, такие порты требовали от их производителей использования собственных специальных драйверов. В 1994 году был принят стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, определяющий режимы работы SPP (стандартный), EPP – двунаправленный и ECP (Extended) – двунаправленный, с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE, использования FIFO-буферов в контроллере порта и DMA системной платы. В современных машинах, с LPT-портом на системной плате, режим порта – SPP, EPP, ECP, или их комбинация, задается программно в BIOSSetUp.

Контрольные вопросы.

1. Какие базовые адреса может иметь LPT-порт?

2. Какова разрядность регистра данных LPT-порта?

3. Какие номера прерываний может использовать LPT-порт?

4. Как использовать LPT-порт для ввода данных?

5. Как использовать LPT-порт для ввода данных?

СОМ-порт.

Последовательный интерфейс для передачи данных в каждую сторону использует по одной отдельной линии данных, по которой данные передаются в последовательном коде. Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах.

При асинхронной передаче, каждому байту предшествует один или два стартовых бита , сигнализирующих приемнику о начале очередной посылки, за ним следуют биты данных и, возможно, бит паритета (контроля четности). Завершает посылку стоп-бит , гарантирующий определенную выдержку между соседними посылками. Старт-бит следующего байта может посылаться в любой момент времени после окончания стоп-бита, т.е. между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит имеет всегда строго определенное значение логической 1 и обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что и приемник и передатчик работают на одной скорости обмена, измеряемой в количестве передаваемых бит в секунду. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема старт-бита, и генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале, эти стробы располагаются в середине битовых интервалов, что обеспечивает возможность приема битов и при некотором рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Нетрудно просчитать, что при передаче 8 бит данных, контрольного и одного стоп-бита предельное рассогласование скоростей не может превышать 5%, но с учетом фазовых искажений (затянутых фронтов сигналов) допустимое отклонение скоростей значительно меньше, так что с ростом частоты обмена повышаются и требования к согласованности скоростей и частот работы приемников и передатчиков.

Приемник, получив сигнал о начале передачи, отвечает передатчику своим состоянием и, если приемник готов к приему, передатчик выдает старт-бит, приемник запускает свой генератор тактов и принимает, с этой частотой, байт данных. Естественно, частоты генераторов передатчика и приемника должны быть довольно строго одинаковыми, но скоростные характеристики линии передачи могут быть разными, в разных конфигурациях АПС, поэтому и частоты передач, определяемые контроллером порта, должны допускать разные значения. Эти значения стандартизованы, и в каждом сеансе связи, перед началом передачи первого байта, передатчик сообщает приемнику – на какой из стандартных частот, будет вестись данный сеанс связи.

Для асинхронного режима передачи принят ряд стандартных скоростей обмена : 50, 75, 110, 150, 300,600,1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, и 115200 бит/сек (не путать с Бод).

Бод – это единица измерения пропускной способности линии связи и приемо-передатчиков, выраженная в количестве переключений состояния линии в секунду , что характерно для недвоичного способа кодирования, а при двоичном способе передачи количество бод и бит/сек, могут отличаться в несколько раз. Так, за одну модуляцию (изменение состояния линии) при недвоичном кодировании, например, ДОФМ широко применяемом в современных модемах, может передаваться несколько бит, а при двоичной асинхронной передаче через СОМ-порты, за одну посылку передается 8 информационных бит, но, с учетом стартовых стоповых бит и бита паритета – до 13 бод.

Асинхронный способ обмена в РС реализуется СОМ-портом с использованием протокола RS232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи . Посылка начинается с синхробайта , за которым следует поток информационных бит, а если у передатчика нет данных для передачи, то он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. При передаче больших массивов информации, такой режим целесообразнее асинхронного, но в синхронном режиме необходима постоянная внешняя синхронизация приемника с передатчиком, т.к. даже небольшое отклонение их частот очень быстро приведет к накапливающейся ошибке и, следовательно, к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с применением отдельной линии для передачи синхросигналов, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования, например, манчестерского кода или кода NRZ, из которого на приемной стороне могут быть выделены синхросигналы. В любом случае, синхронный режим требует либо дорогих линий связи, либо дорогого оконечного оборудования, а может – и того, и другого.

На физическом уровне последовательный интерфейс может иметь различные модификации, различающиеся способами передачи электрических сигналов. Существует ряд международных стандартов RS232C, RS423A, RS422A и RS485. Первый использует простые приемо-передатчики, одиночные провода для каждой из линий связи и допускает связь со скоростями до 20 Кбит/сек, на расстояния до
15 м. Другие – передачу парафазными сигналами до скоростей 10 Мбит/сек, на расстояния до 1200м Допустимые скорости передач, в зависимости от расстояний связи и используемого стандарта, приведены в таблице 1.12.

Таблица 1.12. Максимальные длины линий и скоростей передачи по СОМ-портам.

Интерфейс RS232C .

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД – оконечное оборудование данных, или АПД – аппаратуры передачи данных) к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. Этой аппаратуре соответствует аббревиатура DTE (DataTerminalEquipment). В роли АКД часто выступает модем, этой аппаратуре соответствует аббревиатура DCE (DataCommunicationEquipment). Конечной целью подключения является соединение двух устройств DTE.

Стандарт описывает:

- управляющие сигналы интерфейса,

- электрический интерфейс и

- типы разъемов.

Стандарт же определяет асинхронный или синхронный режимы обмена, но СОМ-порты компьютера поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS232С эквивалентен стандарту МККТТ V.24/V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия одних и тех же используемых сигналов.

Стандарт RS232C использует несимметричные передатчики и приемники. Сигнал передается относительно общего провода (“схемной земли”) и не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует уровень напряжения на входе приемника от –12 вольт до –3 вольт, логическому нулю соответствует напряжение на входе приемника от +3 вольт до +12 вольт. Между уровнями –3 и +3 вольт имеется зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от –12 вольт до –5 вольт и от +5вольт до +12 вольт, соответственно. Разность потенциалов между “схемными землями” (SC) соединяемых устройств не должна превышать двух вольт, иначе возможно неверное восприятие приемником сигналов передатчика. Интерфейс предполагает наличие защитного заземления соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Преобразование параллельного кода, получаемого СОМ-портом от системной шины, в последовательный код для передачи по каналу, и обратное преобразование при приеме данных от терминала, выполняют специализированные контроллеры порта – микросхемы UART (UniversalAsynchronousReceiver-Transmitter – универсальный асинхронный приемо-передатчик). Эта же микросхема формирует и обрабатывает сигналы интерфейса. СОМ-порты IBMPCXT/AT базируются на микросхемах UARTi8250, 16450, 16550A.

Регламентируются и типы применяемых разъемов. На аппаартуре DTE, в том числе и на СОМ-портах следует устанавливать вилки (male) DB9P или DB25P, а на аппаратуре DCE (модемах) устанавливаются розетки (female) DB9S или DB25S.

Назначение и распределение сигналов интерфейса RS232C по разъемам СОМ-порта приведено в таблице 1.13.

Таблица 1.13. Назначение сигналов интерфейса RS 232 C .

Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой модемов, соединив два интеллектуальных устройства DTE непосредственно, с помощью нуль-модемного кабеля.

При соединении аппаратуры DTEбез модемов, разъемы устройств соединяются между собой полным или минимальным нуль-модемным кабелем (Zero-modem, Z-modem).

Полный нуль-модемный кабель выполняется семижильным жгутом проводов, причем контакты DSR – DCD закорачиваются на каждом из разъемов кабеля, а для минимального нуль-модема достаточно всего трехжильного жгута. В последнем случае закорачиваются на каждом из разъемов кабеля контакты DTR - DSR - DCD, а так же RTS - CTS.

Питание ВУ от интерфейса RS -232C.

При подключении мыши или трекбола к СОМ-порту, они обычно получают питание +V от линий DTR и RTS, a –V – от TD, не используемых по прямому назначению. Так если исправная мышь с данным портом не работает, то нужно проверить уровни потенциалов на контактах разъема порта с этими сигналами. При инициализации порта, линии DTR и RTS переходят в состояние логического нуля, т.е. вырабатывают напряжение порядка +12 вольт, а линия TD – порядка –12 вольт. Потенциалами на этих линиях можно управлять через регистры СОМ-порта, что и делают соответствующие драйверы мыши и трекбола. Если потенциалы после их установки не соответствуют требуемым, то неисправность может быть и в регистрах порта, что легко проверяется (конечно, с отключенным манипулятором) тест-программой в режиме тестирования с внешней заглушкой.

Порт получает питание от блока питания через системную плату, и отсутствие напряжения +12 вольт сразу обнаруживается по неработоспособности дисков компьютера, а отсутствие напряжения –12 вольт могут заметить только устройства, подключенные к СОМ-портам. Не все блоки питания контролируют все выходные напряжения, поэтому неработоспособность терминальных устройств, подключенных к СОМ-порту, может быть и следствием неисправности блока питания компьютера.

Инфракрасный интерфейс.

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную коммуникацию между парой устройств, удаленных на расстояние метра, а иногда и нескольких метров. Различают ИК-системы связи с низкой (до 115 Кбит/сек), средней (1.152 Мбит/сек) и высокой (4 Мбит/сек) скоростями связи. В перспективе ожидаются и более высокие скорости обмена, которые позволят передавать даже «живое видео».

На скоростях 115 Кбит/сек для ИК-связи используются UART, совместимые с 16450/16550 и часто может конфигурироваться порт СОМ-2. Весьма привлекательно применение ИК-технологии для связи портативных компьютеров со стационарными, или док-станциями (PCDocking), расширяющими их до полноценной настольной конфигурации.

Интерфейс MIDI .

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (MusicalInstrumentDigitalInterface) представляет собой асинхронный интерфейс с частотой передачи 31,25 Кбит/сек. В интерфейсе применяется связь типа токовая петля 10мА с гальванической (оптронной) развязкой входной цепи.

Формат асинхронной посылки содержит старт-бит, 8 бит информации и стоп-бит, контроль четности отсутствует. Интерфейс поддерживается стандартными 5-контактными разъемами DIN и позволяет объединить группу, последовательно до 16 устройств, в локальную сеть.

В РС MIDI-порт имеется на большинстве плат звуковых адаптеров, и его сигналы выведены на неиспользуемые 12 и 15 контакты разъема Game-адаптера. Для MIDI-порта применяются ИМС UART, совместимые с MPU401, отличающиеся от обычных UART 8250 или 8251 тем, что имеют дополнительный регистр устройства. На некоторых системных платах применяются БИС контроллеров интерфейсов, в которых UART, используемый для СОМ-портов, может быть переведен в режим MIDI-порта его конфигурированием через BIOSSetUp,

Контрольные вопросы.

1. Какие режим работы может поддерживать СОМ-порт?

2. Какой стандарт поддерживает работу СОМ-порта?

3. Как зависит максимальная скорость передачи через СОМ-порт от длины кабеля связи?

4. Какие типы разъемов используют СОМ-порты?

5. Что такое нуль-модем и как он устроен?

6. Какие меры необходимо принимать для безопасности оборудования СОМ-портов при соединении через них разных устройств?

7. В чем состоят достоинства ИК-интерфейса?

8. В чем состоят достоинства ИК-интерфейса?

1.5.3.2) Сетевые средства связи

Локальные вычислительные сети ЛВС (LAN – LocalAreaNetwork) позволяют объединять компьютеры, расположенные в некотором ограниченном пространстве. Для локальных сетей прокладывается специализированная кабельная система, и положение возможных точек подключения абонентов ограничивается этой кабельной системой. Локальные сети можно объединять в крупномасштабные образования – CAN (CampusAreaNetwork – кампусная сеть, объединяющая группу близко расположенных зданий), MAN (MetropolitanAreaNetwork – сеть городского масштаба), WAN (WideAreaNetwork – широкомасштабная сеть), GAN (GlobalAreaNetwork – глобальная сеть). Оборудование локальных сетей подразделяется на активное (интерфейсные карты компьютеров, концентраторы и т. п.) и пассивное (кабели, соединительные разъемы, коммутационные панели и т.д.).

Самой популярной является на сегодня сетевая технология Ethernet, представляющая архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей. Для связи по сети, в компьютер устанавливаются сетевые карты. Сетевые карты-адаптеры (NetworkInterfaceCard – NIC) выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, PCI, PCCard, VLB. Существуют также сетевые адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту. Их преимущество состоит в отсутствии потребностей в специальных системных ресурсах (порты, прерывания и т.п.) и в легкости подключения (не требуется вскрытие системного блока). Крупным недостатком сетевых LPT-адаптеров является то, что скорости обмена данными через них ограничиваются скоростными характеристиками LPT-порта и они значительно загружают процессор.

Основные свойства сетевых адаптеров:

1) разъемы подключения к среде передачи: один разъем BNC или RJ-45 (UTP или STP), или их комбинация. Наиболее универсальные “Combo” – имеют полный 10-мегабитный набор BNC/AUI/RJ45;

2) скорость передачи – 10 или 100 Мбит/сек; многие 100-мегабитные адаптеры имеют и режим 10 Мбит/сек;

3) системная шина и способ обмена данными. Для многозадачных применений желательно использование Bus-Master, разгружающего процессор. Адаптеры Bus-Master должны иметь 32-разрядную шину (EISA, MCA, PCI), в противном случае будут проблемы с использованием ОЗУ свыше 16 МБ;

4) возможность полного дуплекса, для сред с раздельными линиями приемника и передатчика, в многозадачных системах позволяет теоретически удвоить пропускную способность, при поддержке этого режима на другой стороне;

5) размер установленной буферной памяти – чем больше, тем лучше. Минимальный ее объем должен позволять хранить, по крайней мере, пару пакетов (максимальная длина пакета – 1514 байт). Сейчас есть платы и с объемом буферной памяти, исчисляемой мегабайтами;

6) наличие на NIC гнезда для микросхемы BootROM, обеспечивающей возможность удаленной загрузки операционной системы (RemoteBoot или RemoteReset) по сети, с файл-сервера.

Контрольные вопросы.

1. Что такое LAN?

2. Как расшифровывается аббревиатура NIC?

3. Каковы достоинства и недостатки сетевых адаптеров, подключаемых к стандартному LPT-порту?

4. Какие скорости передачи данных могут поддерживать сетевые адаптеры

5. Какой минимальный объем буферной памяти должна иметь сетевая карта?

6. Для чего используются микросхемы BootROM на сетевых картах?

1.5.4 Средства вывода аудиоинформации

Потребность в выводе аудиоинформации из РС определилась на самых ранних этапах внедрения компьютеров. Так, требуется сообщать пользователю, не всегда глядящему на экран дисплея, о нормальном завершении POST-программы, или об ошибках, выявленных POST-программой, если вывести их на экран невозможно (неисправна видеоподсистема), наконец, о появлении фатальных ошибок при работе прикладных программ.

1.5.4.1) Вывод звука на встроенный динамик

Компьютер часто оснащается небольшим излучателем звука – динамическим громкоговорителем. Звуки, выводимые на динамик, формируются аппаратными и программными средствами: – интервальным таймером и активной в данный момент программой. Так, выбирая программно соответствующий выход и режим интервального таймера, можно задавать высоту тона, длительность звучания и пауз между воспроизводимыми нотами.

Проверить работоспособность аудио-канала РС можно просто, выбрав в тест-программе NDiags пункт меню ПРОЧИЕ/Тест динамика. При этом на встроенный динамик должны быть выведены несколько фраз, или звуков. Хотя, если короткий звук с частотой 1 КГц перед загрузкой DOS выдался, значит, аудио-канал в порядке. Если звуки не издаются, нужно проверить подключен ли, и правильно ли, разъем от динамика к системной плате. Если динамик подключен правильно, то, при таких симптомах, может быть неисправен или сам динамик, или шлейф его подключения, или интервальный таймер. Для уточнения места неисправности можно отключить от системной платы разъем подключения динамика и тестером прозвонить сам шлейф и динамик. Сопротивление исправного динамика должно быть порядка нескольких Ом. Если динамик в порядке, то для проверки работы канала интервального таймера нужно запустить тест динамика, например, из той же тест-программы NDiags и в это время осциллографом наблюдать осциллограмму, появляющуюся на выходе канала Т1 интервального таймера.

1.5.4.2) Вывод звука на акустические системы

Для воспроизведения полноценной звуковой информации – музыки, речи и т.д., в компьютере должна быть установлена звуковая карта и к ней подключены акустические системы (колонки).

Звук, это воспринимаемые человеческим ухом колебания воздуха с частотами от 16 Гц до 20 Кгц, формируются и воспроизводятся в компьютерах специальными программами с помощью звуковых карт-адаптеров и акустических систем.

Имеется множество модификаций звуковых карт, но основные функции, выполняемые звуковыми картами, это – ввод и оцифровка аналоговой звуковой информации с микрофона, магнитофона, радио, проигрывателя компакт-дисков и т.п. источников, и – обратное преобразование и воспроизведение уже оцифрованных записей, хранящихся в компьютере.

Для преобразования входного аналогового электрического сигнала в цифровую форму, АЦП звуковой карты измеряет амплитуду этого сигнала через равные, малые промежутки времени. Частота этих измерений называется частотой дискретизации Согласно теореме Котельникова, для полного восстановления в последующем огибающей звукового колебания, частота дискретизации должна не менее чем вдвое превышать максимальную частоту этих звуковых колебаний. Т.к. максимальная частота звука, воспринимаемая ухом человека – 20 КГц, то частота дискретизации должна быть не менее 40 КГц. Чаще используется частота дискретизации 44,1 КГц (именно эта частота используется и в компьютерных звуковых картах, и для записи звука на компакт-диски). Амплитуда каждой точки дискретизации обычно измеряется 16-битовым АЦП, что позволяет иметь 2¹⁶ значений амплитуды. Результаты оцифровки звука передаются соответствующей программе и, после сжатия, в виде файлов записываются на жесткий диск (файлы с записью звука имеют в Windows расширения .wav). Эти файлы, несмотря на сжатие, имеют очень большой объем – десятки Кбайт на каждую секунду звучания. При большой степени сжатия объемы таких файлов уменьшаются, но это неизбежно приводит к потере качества воспроизведения записанного звука.

Воспроизведение цифровой информации происходит обратными процедурами: считывание сжатой цифровой информации, ее распаковка и преобразование, с использованием ЦАП звуковой карты, в аналоговый сигнал, который после усиления по мощности поступает на звуковые колонки, где он и превращается в звуковые колебания воздуха (акустический звук).

Различные звуковые карты отличаются друг от друга по следующим характеристикам:

1) максимальной частоте выборки (сэмплинг) (samplerate) при оцифровке звука. Чем выше сэмплинг, тем выше качество воспроизводимого звука. Обычно, частота выборки – 44,1 КГц и выше (как на СD-дисках), но некоторые карты используют частоту 48 КГц (как в цифровых магнитофонах). Старые звуковые карты использовали частоту дискретизации 22,05 КГц, т.е. звуки с частотой выше 10КГц вообще не воспроизводились;

2) максимальной частоте дискретизации при записи. Эти частоты соответствуют частотам выборки для каждого из типов карт;

3) максимальной разрядности АЦ-преобразования звука при записи. Большинство современных карт поддерживает 26- и 8-разрядную дискретизацию, а старые карты поддерживали только 8-разрядную, которая годится только для записи речи;

4) возможности стерео воспроизведения. Многие старые карты таких возможностей или не обеспечивают, либо обеспечивают ограниченно (например, при воспроизведении монозаписи обеспечивается частота дискретизации 44,1 КГц, а при стереозаписи – только 22,05 КГц).

5) формированию шестиканальной квази-стереофонии.

Подключение звуковых карт.

Большинство звуковых карт вставляется в разъем шины ISA, и на задней стенке карты могут иметь разъемы:

- 15-контактный разъем для подключения MIDI-инструментов или джойстика;

- 2 – 3 входных разъема типа «мини-джек» для линейного входа от магнитофона, CD-плеера и т. п.;

- входной разъем для подключения микрофона;

- 1 или 2 выходных разъема, один – для линейного выхода на внешний усилитель, другой, от встроенного усилителя, – для подключения пассивной аудио-системы.

Подключение дисковода CD - ROM через звуковую карту.

Внутренний CD-дисковод может подключаться к звуковой карте специальным 3-х или 4-х-проводным аудио-кабелем, что позволяет проигрывать компакт-диски практически без участия микропроцессора. Многие из современных звуковых карт не имеют разъема для подключения CD-дисковода, т.к. современные компьютеры оснащаются контроллерами EIDE, к которым и подключаются CD-дисководы.

Дополнительные функции.

Некоторые звуковые карты имеют дополнительные возможности обработки звука, добавляя в него определенные эффекты – хорус, реверберацию, квази-трехмерное звучание и т.д.

Аналоговый сигнальный процессор (ASP) применяется в некоторых картах CreativeLabs для распознавания речи.

Радиотюнер – позволяет прослушивание радиопрограмм.

Режим DualDMA – позволяет одновременно производить и запись, и воспроизведение звука.

Контрольные вопросы.

1. Как проще всего проверить работоспособность встроенного динамика в РС?

2. Какой принцип оцифровки звука используется в РС?

3. Какой должна быть минимальная частота дискретизации для звуковых частот до 20 Кгц?

4. Сколько уровней квантования звуковых сигналов имеют современные звуковые карты?

5. Какие есть два способа подключения CD-дисковода к звуковой карте?

Раздел 2 Средства и методы диагностики АПС

2.1 Классификация неисправностей АПС

Для выбора метода диагностики и определения первичных и вторичных симптомов отказа необходимо уметь классифицировать неисправность, т. к. первичный отказ часто вызывает целый спектр отказов вторичных, являющихся следствием первичного и затеняющих причину неисправности.

Предлагаемая классификация охватывает ошибки и отказы, вызванные электронными узлами системной платы , как наиболее сложной части РС, и может быть распространена на весь клон IBM PC.

С позиции аппаратных и программных средств, используемых в РС, неисправности подразделяются на аппаратные, программные и аппаратно-программные.

Аппаратные неисправности , т. е. неисправности аппаратных средств, в свою очередь, подразделяются на случайные, мягкие и жесткие ошибки.

К случайным ошибкам относят:

1) плавающие ошибки;

2) корректируемые отказы;

3) некорректируемые отказы (технические остановы).

Потенциально, любая неисправность, связанная со случайными ошибками, может привести к жесткой ошибке. Случайная ошибка, приобретшая фактор стабильности и делающая невозможной дальнейшую эксплуатацию системы классифицируется как жесткая, не корректируемая и требует анализа и диагностики неисправности АПС. Нередко, после коррекции условий эксплуатации ВС (температурно-климатические, вибрационные и т. д.), такие ошибки исчезают, но, по истечении некоторого времени, появляются снова. Таким образом, это – не метод устранения ошибок, и задача инженера или техника по ТО – наоборот, ужесточить условия эксплуатации ВС на время диагностики, с целью выявления ошибки и выделения отказавшего узла. Наиболее неприятны отказы, связанные с факторами нестабильности и неопределенности – плавающие ошибки. Их появление часто связано:

1) с наличием мощных источников электромагнитного излучения, таких как:

- сварочное оборудование;

- силовые контакторы;

- щеточные электродвигатели;

- электродуговые приборы;

- СВЧ медицинское оборудование;

- рекламная светотехническая аппаратура и т. п.;

2) с повреждением или ухудшением параметров контуров защитного заземления. "Схемная земля" (или "логическая земля"), объединяет по общему проводу несколько ПЭВМ, и если их нулевые потенциалы сильно отличаются, то это приводит к заметной разности потенциалов между ними и образованию паразитных токов в контуре: схемная земля – защитное заземление ;

3) с наличием источников механических колебаний, кинематических перемещений, что, кроме опасных для НЖМД ускорений, может быть причиной нарушений электрических соединений в разъемах питания, слотах расширения, панельках для установки ИМС (Chip Sockets) и т. п.;

4) с запыленностью помещений, наличием агрессивной внешней среды, что вызывает загрязнение и окисление контактов разъемных соединений;

5) с разношенностью или загрязненностью сетевых розеток и вилок подключения СВТ к сети первичного питания;

6) с перепадами температур, которые всегда отрицательно влияют на все компоненты ПЭВМ;

7) появление неисправностей часто возникает после окончания профилактики или модернизации системы. Причина подобных неисправностей может заключаться в неправильном, невнимательном или непрофессиональном выполнении этих работ.

К мягким ошибкам (Minor Errors) относятся ошибки, устраняемые аппаратно, аппаратно-программно или программно, самой ВС без вмешательства оператора. Например:

1) ошибки информации в DRAM, корректируемые по коду Хемминга;

2) ошибки чтения секторов диска, исправляемые кодами ECC (Errors Checkingand Correcting Code), исправляющими ошибки, или повторным считыванием сбойного сектора;

3) ошибки передачи данных по каналам связи, исправляемые при повторных сеансах передачи
и т. п.

К жестким ошибкам (MajorErrors) относятся ошибки оборудования, приводящие к устойчивому отказу с потерей всех или некоторых функций ВС, устранение которых является задачей специалистов по ТО и СТО (системотехническому обслуживанию) СВТ.

1. К аппаратным неисправностям, т. е. неисправностям аппаратных средств, относятся, например, следующие:

1) неисправности энергоснабжения в РС;

2) отказы компонент локальной шины;

3) отказы буферов шин каналов адреса и данных;

4) отказы узлов подсистемы DRAM и кэш-памяти;

5) отказы карт расширения подсистем ввода-вывода;

6) отказы компонент узлов обрамления (обвески) CPU;

7) отказы узлов подсистемы ROMBIOS;

8) отказы компонент клавиатуры;

9) отказы узлов и элементов аудиосистемы;

10) отказы узлов расширения подсистем, расположенных на системной плате и т. д.

2. К программным ошибкам относятся:

1) ошибки, связанные с загрузкой операционной системы;

2) ошибки прогона пользовательских программных средств (Soft Ware);

3) ошибки, вызванные вирусными заражениями памяти компьютера.

3. К аппаратно-программным ошибкам относятся:

1) потеря или искажение информации в ROM BIOS, приводящие к нарушениям функций обслуживания средств ввода-вывода;

2) потеря или искажение информации в CMOS-памяти, приводящие к искажениям информации о текущей аппаратной конфигурации ВС;

3) потеря или искажение информации в регистрах портов подсистем ввода-вывода, приводящие к нарушениям интерфейса ввода-вывода;

4) некорректная установка средств конфигурации системы, приводящая к потере обслуживания или опознавания компонент ВС (не тот тип дисковода, монитора, клавиатуры, FPU и т .д.)

Контрольные вопросы.

1. Какие ошибки относятся к аппаратным?

2. Какие ошибки относятся к программным?

3. Какие ошибки относятся к аппаратно-программным?

4. Какие ошибки классифицируются как мягкие?

5. Какие ошибки классифицируются как жесткие?

6. С какими факторами связано возникновение плавающих ошибок?

2.2 Этапы и процесс устранения неисправностей РС

Ремонт ПЭВМ, в общем случае, заключается:

1) в анализе симптомов отказа;

2) в предварительном тестировании;

3) в сокращении аппаратной и программной конфигурации ВС, для выделения отказавшего устройства;

4) в углубленной диагностике неисправного устройства, для локализации места возникновения неисправности, до узла или компоненты схемы;

5) в замене отказавшего узла, компоненты, или восстановлении работоспособности схемы устранением дефекта в монтаже, разъемном соединении и т. д.

Таким образом, ремонт ВС более чем на ⁹ /₁₀ состоит из диагностики АПС и состоит из пяти этапов :

1) анализ ситуации отказа;

2) тестирование;

3) ремонт;

4) тестирование после ремонта;

5) восстановление рабочей конфигурации и проверка функционирования.

При выполнении работы по диагностике неисправностей рекомендуется:

1) подробно документировать работу;

2) предположить одну из похожих по симптомам неисправность (идентифицировать неисправность);

3) выделить неисправное устройство (интерпретировать вид ошибки);

4) воспользоваться,если возможно, эталонной таблицей состояний ВС;

5) выделить неисправную компоненту в устройстве;

6) если симптомов несколько, – классифицировать их на первичные и вторичные (зависимые от первичных).

Процесс поиска неисправностей.

На этапе анализа ситуации следует:

1. проанализировать, в каком режиме работы АПС, при выполнении какой программы и в каком месте программы произошел отказ;

2. зафиксировать симптомы неисправности:

1) состояние индикаторов РС,

2) сообщения программы (диспетчера, ОС, оболочек и т. д.),

3) звуковые сигналы, штатные и нештатные;

3. попытаться перезапустить программу;

4. перезагрузить систему ("теплый" рестарт, или "холодный" старт);

5. внимательно просмотреть, как проходят рестарт, POST-контроль;

6. проверить параметры АПС в CMOS-памяти, с помощью процедур SETUP;

7. выключить ВС, проверить качество соединений кабелей интерфейсов, подключения питания, температурный режим всех ИМС (наощупь), степень загрязненности плат;

8. если POST-программа не выполняется, перейти к локализации компоненты, используя видео- или аудио-коды, сообщаемыми POST-программой;

9. если POST-программа выполняется, – перейти к тестовой диагностике ВС;

Эффективный поиск неисправностей в оборудовании СВТ требует дедуктивного метода рассуждений для выделения главной проблемы.

Проводя анализ ситуации, нужно постараться понять:

1) причину неисправности и ее тип;

2) связать причину неисправности с первичной компонентой ВС, вызывающей подобный тип неисправностей;

3) провести анализ работы выделенного узла, используя его функциональную схему;

4) предположить вероятный источник ошибки;

5) записать расположение карт контроллеров в слотах, схему подключения кабелей, положение перемычек и переключателей на контроллерах, картах расширения и системной плате;

6) проверить, не возникла ли неисправность после:

- установки другого контроллера в слот расширения (реконфигурация ВС);

- подключения к контроллеру дополнительного периферийного устройства;

- переустановки конфигурации периферийных устройств на контроллерах, периферийных устройствах, системной плате.

Если ошибка возникла вследствие реконфигурации АПС, то следует проверить правомерность проведенных подключений и переустановок, пользуясь руководством пользователя (User Manual) контроллера, периферийного устройства, системной платы.

При возможности, полезно сравнить установки и подключения таких же устройств на другой, аналогичной АПС.

Если все было подключено верно, – вернуть ВС в исходное состояние: выключить только что установленное ПУ и/или контроллер и вновь проверить работоспособность ВС.

Если ошибка осталась, значит, компонента определена неверно, и нужно повторить анализ по пунктам 1) – 4).

Если ошибка устранилась, следует по-очереди заменять элементы узла на заведомо исправные в следующем порядке:

- периферийное оборудование, относящееся к выделенной подсистеме (дисковая, VIDEO, коммуникации, манипуляторы и т. д.), обращая внимание на их конфигурирование;

- кабельные соединения (не спутать подключение шлейфов: выделенная цветом жила плоского шлейфа подключается к первому контакту разъема);

- контроллер, обращая внимание на установленную конфигурацию соответственно типу, объему буферной памяти и т. д. принтера, манипулятора, дисковода и т. п.

Если ошибка осталась, значит, дело не в аппаратной, а в программной конфигурации:

- драйвер не соответствует данному конкретному устройству;

- конфликт драйверов;

- конфликт запросов прерываний;

- пересечение областей векторов прерываний в DRAM

и следует тщательно проверять программную конфигурацию РС при вводе нового оборудования. При обнаружении несоответствия – откорректировать программную конфигурацию АПС.

На этапе тестирования нужно выполнить:

1. запуск тест-программы, наиболее подходящей по составу и возможностям, к выделенному устройству или компоненте АПС;

2. уточнить место возникновения ПЕРВИЧНОЙ неисправности;

3. для определения характера первичной ошибки, провести углубленную диагностику выделенной компоненты, подсистемы, устройства;

4. разобраться в логике работы неисправного узла;

5. подготовить программный материал для углубленной, детальной проверки неисправного узла:

1) подобрать программу углубленного тестирования;

2) выделить необходимый фрагмент программы для его тестирования;

3) написать пример программы, выделяющий данную неисправность (можно использовать отладочную программу DEBUGGER, позволяющую программировать на языке АССЕМБЛЕРА) и проверять его прохождение, трассировку и т. д.);

6. исключить из работы по диагностике все устройства, узлы, компоненты, не участвующие в работе тестируемого узла;

7. запустить подготовленную программу, или пример работы данного узла;

8. проверять работу узла ПО КОМПОНЕНТАМ , используя необходимую КИА и КИП (логический пробник, тестер, осциллограф, логический анализатор и т. д.);

9. выделить неисправную компоненту узла (ИМС, ЭРЭ и т. п.);

10. определить причину возникновения неисправности;

11. принять решение по способу устранения неисправности:

1) замена ИМС, ЭРЭ и т. д.;

2) восстановление контакта;

3) восстановление схемы соединений и т. п.

На этапе РЕМОНТА выполняется собственно ремонт выделенного узла, с соблюдением всех требований персональной электробезопасности и безопасности ремонтируемой аппаратуры (отключение РС от сети питания, извлечение узла из конструктива, работа низковольтным паяльником с заземленным жалом, принятие средств защиты аппаратуры от статического электричества и т. д.).

На этапе ПРОВЕРКИ ПОСЛЕ РЕМОНТА нужно:

1. визуально просмотреть отремонтированный узел на отсутствие механических повреждений компонент;

2. просмотреть под лупой отсутствие замыканий (перемычек из припоя) между выводами заменявшейся компоненты и обрывов печатных проводников вблизи места ремонта;

3. низковольтным тестером или мультиметром проверить отсутствие замыканий по питанию отремонтированного узла (применять тестер с напряжением более 1,5 вольт опасно для ИМС);

4. поставить отремонтированный узел на место в систему;

5. запустить программу проверки работы данного узла (как на этапе тестирования).

На этапе ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ КОНФИГУРАЦИИ нужно:

1. восстановить, нарушенную на втором этапе, исходную аппаратную конфигурацию АПС;

2. прогнать тест-программу проверки-диагностики отремонтированного устройства;

3. протестировать АПС, прогоном тест-программ в целом, вместе с периферией;

4. запустить контрольное выполнение рабочей программы в том режиме, в котором была обнаружена неисправность;

5. подробно записать в журнале Технического обслуживания:

- когда и кем был обнаружен дефект;

- внешнее проявление дефекта, в каком режиме работы АПС он проявляется;

- кем и какие меры были приняты для его устранения;

- результаты ремонта, кем и когда он был выполнен;

6. сделать отметку о ремонте в формуляре и сдать АПС пользователю.

Контрольные вопросы.

1. Из каких пяти этапов состоит в общем случае ремонт СВТ?

2. Из каких этапов состоит диагностика неисправностей АПС?

3. Каков порядок действий на этапе анализа ситуации отказа?

4. Каким должен быть порядок действий на этапе тестирования АПС при отказе?

5. Каким должен быть порядок действий на этапе проверки ВС после ремонта?

6. Каков порядок действий на этапе восстановления рабочей конфигурации ВС?

2.3 Конструкция, разборка и сборка РС клонов IBM

2.3.1 Конструктивное оформление РС

В конце 70-х – начале 80-х годов разобрать компьютер было сложно: фирмы-изготовители пломбировали корпус, и нарушение пломб снимало гарантию изготовителя. Но, с появлением в 1981 году IBM PC, производители позволили пользователю открытый доступ к компонентам компьютера, что, с появлением открытой архитектуры РС, позволяет пользователю самостоятельно проводить не только простые профилактические и ремонтные работы, но и модифицировать, совершенствовать, модернизировать конфигурацию РС в соответствии с потребностями пользователя.

В первых компьютерах все компоненты размещались на одной плате. Для компьютеров с 64- или 128 Кбайт памяти и 8-битовым CPU, объединенная плата с 40 – 50-ю ИМС, была хорошим решением, но с появлением 16- и 32-битовых CPU и компьютеров с памятью 1 Мбайт и более, на плате пришлось бы размещать сотни ИМС, что технологически непросто. С переходом к открытой архитектуре IBM PC/XT, на системной плате появились слоты с разъемами расширения системной шины. На системной плате стали размещать только CPU с его обрамлением, ОЗУ, ПЗУ, CMOS-память, контроллер KBD, формирователи шин, а остальное оборудование (контроллеры видеоадаптера, дисковой системы, порты ввода-вывода и т. д.) – размещать на дочерних платах (картах), вставляющихся в слоты разъемов расширения системной шины.

Предварительный поиск неисправностей стал простым и точным: дисковые накопители, клавиатура, блок питания стали конструктивно законченными, отдельно подключаемыми устройствами. Когда на системной плате размещены только основные компоненты, при неисправности в одном из устройств, найти неисправную компоненту можно быстро, отключая по-очереди отдельные компоненты, просто вынимая их из слотов расширения.

Некоторые фирмы (Zenith, Kaypro и др.) даже разбили системную плату на несколько отдельных плат, заменяя которые, можно отыскивать неисправные узлы и даже модифицировать саму системную плату. В этом случае, основная плата называется объединительной . Обратной стороной открытой архитектуры является снижение надежности работы ВС, т. к. до 90% отказов связано либо с электромеханическими узлами РС, либо – с нарушением контактов в разъемах. Но качество разъемов – дело их технологии и стоимости, а удобство обслуживания и модернизации, плюс замена, при модернизации компьютера, только части, а не целой системной платы и проще, и дешевле.

Благодаря слотам на SВ и дочерним платам, вставляющимся в эти слоты, ремонт упростился до замены неисправной платы. Ремонтнику требуется только иметь комплект исправных плат. Правда, широкий спектр карт, использующихся в РС, особенно разных фирм изготовителей, далеко не всегда совместимых по архитектуре шины, пользовательским параметрам и т. д., да и на все случаи жизни, – требует уж очень большого ассортимента карт. Тем не менее, имея их и заменив неисправную карту, можно быстро ввести РС в нормальную эксплуатацию, а неисправную плату, карту отремонтировать в хорошо оборудованной мастерской и вновь использовать для замены в будущем.

Контрольные вопросы.

1. Что входит в понятие открытой архитектуры РС?

2. В чем состоит достоинство диагностики и ремонта РС открытой архитектуры?

3. В чем заключается недостаток РС открытой архитектуры?

4. Какой способ диагностики и ремонта РС открытой архитектуры самый простой?

5. В чем состоят недостатки диагностики и ремонта РС методом замены отдельных узлов СВТ?

2.3.2 Разборка и сборка компьютера

Все многообразие конструкций РС можно свести к основным пяти типам:

1) все в одном корпусе (All-On-Oncе) – старые компьютеры с 8-битовым CPU, такие как Apple, Commodore, Atary, Spectrum и т. п.;

2) портативные компьютеры (LapTop, Note-Book и т. п.) со встроенными плоским дисплеем и клавиатурой;

3) РС со встроенным дисплеем на ЭЛТ (TSR-80 моделей I-IV, Macintosh);

4) самые популярные до недавнего времени IBM PC/XT/AT и большинство их клонов, имеют системный блок в прочном корпусе, подключаемые отдельно клавиатуру и монитор, который можно установить на системный блок;

5)системный блок вертикальной конструкции, устанавливаемый на столе (Mini Tower) или на полу (Big Tower), что освобождает место на столе и обеспечивает простой доступ к разъемам слота и платам.

Для разборки и сборки РС нужно иметь конкретное техническое руководство (User Manual) для данного РС. Это сэкономит много времени и позволит избежать ошибок и привнесенных неисправностей.

Инструкция по разборке компьютера, от начала до конца состоит из конечного числа операций, выполняющихся последовательно. Нужно разбирать только то, что требуется для выявления дефекта, или ремонта неисправной компоненты. Более широкий демонтаж – не только пустая трата времени, но и источник новых неисправностей. Так что настоятельно рекомендуется, несмотря на простоту разборки, найти указания по разборке-сборке данного конкретного компьютера в его техническом руководстве или справочной литературе. В литературе можно найти очень подробное описание последовательности разборки и сборки большинства компьютеров, начиная с РС/ХТ/АТ и кончая РS/2 моделей 60 и 80, с правилами доступа ко всем компонентам – от карт в слотах, до блоков питания, дисководов и SВ в целом.

Современная конструкция системного блока проста. Если снять с него крышку корпуса, или боковые стенки откроется доступ к его внутренним компонентам.

В машинах конструкции DeskTop (настольный, с горизонтальным расположением системной платы) нужно отвернуть винты сзади системного блока, а в конструкциях Tower – сзади, или сзади и сбоку, и крышка снимается. На системной плате размещены, и, в большинстве своем – припаяны, элементы вычислителя: CPU, FPU, модули обрамления микропроцессора (Chip-Set). В специальных разъемах SВ, – модули памяти SIMM, DIMM, а в панельках (Chip-Sockets) устанавливаются иногда ИМС ROMBIOS, контроллера клавиатуры (типа 8042), CMOS-памяти. Для ранних моделей РС-286, РС-386 и РС-486 в специальный разъем устанавливался математический сопроцессор, а для некоторых старых моделей РС-286, в Chip-Sockets устанавливался и набор отдельных микросхем оперативной памяти (RAM).

Неприпаиваемые элементы могут сниматься и устанавливаться и без специального инструмента, с помощью небольшой шлицевой отвертки, хотя для облегчения снятия ИМС желательно иметь специальный экстрактор, а для их установки – специальное приспособление. Модули памяти SIMM, DIMM устанавливаются руками в их разъемы под углом, затем поднимаются до вертикального положения и автоматически закрепляются соответствующими защелками. Все остальные компоненты (карты адаптеров расширения) просто устанавливаются в слот расширения системной шины на SВ и закрепляются винтом.

Другие компоненты ВС, такие как дисководы FDD, HDD, CD-ROM, вдвигаются по направляющим в конструктивный блок и фиксируются защелками, либо винтами на боковых сторонах системного блока. Для их снятия и установки иногда требуется снять лицевую панель, либо лицевые накладки, которые закрепляются пружинными фиксаторами.

Контрольные вопросы.

1. Какие основные типы конструкции РС вам известны?

2. Какими документами следует руководствоваться при разборке-сборке компьютера?

3. Как снимаются и устанавливаются модули оперативной памяти в современных РС?

4. Как снять и установить дочерние платы на системную плату?

5. Как устанавливаются жесткие диски и дисководы в системный блок РС?

2.3.3 Инструментарий

Для разборки, демонтажа и сборки РС, в общем случае, понадобятся следующие основные инструментальные средства:

- обыкновенные ручные инструменты (ключи, отвертки, пинцет и т. д.);

- инструментальные средства для отпайки, припайки элементов схемы и монтажа.

2.3.3.1) Ручные инструменты для демонтажа/монтажа

1) 3/16" торцевой ключ;

2) 1/4" торцевой ключ;

3) 3-мм отвертка с крестообразным шлицом;

4) 3-мм шлицевая отвертка с плоским лезвием;

5) 5-мм отвертка с крестообразным шлицом;

6) 5-мм отвертка с плоским лезвием;

7) экстрактор для снятия микросхем с DIP-корпусами;

8) пинцет;

9) держатель элементов типа "клещи";

10) бокорезы-острогубцы;

11) "бархатный" надфиль;

12) маленькие плоскогубцы.

2.3.3.2) Принадлежности пайки-отпайки

Для отпайки и припайки электронных компонент на платах компьютера понадобятся следующие инструментальные средства:

1) маломощный паяльник на 25 Вт 36 вольт (желательно с регулировкой температуры), но обязательно с заземленным жалом .;

2) набор сменных стержней к паяльнику:

- одностороннее жало;

- стержень с внутренним отверстием для пайки ЭРЭ и ИМС с аксиальными выводами;

- кинжалообразное жало для пайки ИМС с планарным выводами;

- групповое жало на 14 и 16 контактов (выпаивание ИМС в DIP-корпусах);

3) медный теплоотвод (пинцет с медными наконечниками);

4) отсос припоя (лучше – паяльник с отсосом припоя);

5) средство очистки отверстий платы от остатков припоя (набор клинообразных палочек);

6) медицинская игла для люмбальной пункции, с тонко заправленным концевым конусом
d = 0,8 мм. Используется для отпаивания выводов резисторов, конденсаторов, полупроводниковых диодов, транзисторов, а также с ее помощью можно отпаивать и ИМС в DIP-корпусах;

7) тонкий стальной крючок. Используется для подъема выводов ИМС при отпайке ИМС с планарными выводами;

8) низкотемпературный припой (ПОС-40, ПОС-65, сплав Розе и т. п.);

9) жидкая канифоль, или другой бескислотный флюс;

10) маленькая художественная кисточка;

11) кисть или щетка с коротким жестким ворсом (для промывки от флюса мест пайки);

12) чистая ветошь;

13) спирт технический, ректификат.

Правила техники безопасности при работе с электрооборудованием, требуют для работе с электронным оборудованием использования паяльников только с безопасным для жизни напряжением питания, не более 36 вольт. Иначе, при аварийном пробое изоляции проводов питания или нагревательного элемента на корпус паяльника, работающий с ним человек, может получить поражение электрическим током.

При пайке электро-радио-элементов (ЭРЭ): резисторов, конденсаторов, и особенно – полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, микросхем и т. п., для их защиты от перегрева требуется отводить тепло от места пайки. С этой целью применяются медные теплоотводы, в простейшем случае, представляющие собой пинцет с достаточно массивными медными наконечниками. При пайке ЭРЭ, этим теплоотводом придерживают отпаиваемый или припаиваемый элемент за вывод, между местом пайки и корпусом элемента.

При замене ЭРЭ, после их выпаивания из платы, отверстия под их выводы часто остаются залитыми остатками припоя, что затрудняет установку на это места нового элемента. Для удаления этих остатков припоя лучше всего использовать паяльник с отсосом, или отдельный отсос припоя. Если под руками нет такого оборудования, проще всего воспользоваться остро заточенными деревянными палочками. Отверстие, из которого нужно удалить припой, с одной стороны платы нагревается паяльником, а с другой стороны, когда припой в отверстии расплавится, в отверстие вставляется острие деревянной палочки. После этого паяльник убирают и, после затвердевания припоя, вытаскивают палочку. Отверстие остается открытым и новый ЭРЭ легко может быть вставлен для припаивания.

После окончания паяльных работ, плату следует очистить от остатков флюса. Техника такой очистки состоит в том, что на очищаемое место помещают небольшой кусочек хлопчато-бумажной ткани, смоченной этиловым спиртом, или бензо-спирто-смесью, и несколько раз проводят по ней жесткой кисточкой или щеткой, соответствующего размера. При необходимости, эту операцию повторяют до полной очистки платы от остатков флюса.

Контрольные вопросы.

1. Почему для пайки элементов СВТ следует использовать только низковольтный паяльник?

2. Почему паяльник должен быть заземлен?

3. Для чего используются медные теплоотводы?

4. Как можно очистить отверстия в печатной плате от остатков припоя?

5. Для чего используется этиловый спирт при ремонте СВТ?

2.4 Аппаратный и программный аспекты диагностики АПС

Диагностика неисправностей ПЭВМ имеет два аспекта: аппаратный и программный.

Аппаратный аспект подразумевает использование аппаратурных средств диагностики – стандартной КИА, специальной КИА, сервисных плат, устройств и комплексов.

При аппаратном методе диагностики, используются инструменты и приборы для измерений напряжений, параметров сигналов и логических уровней в схемах PC. Этот метод требует глубоких знаний логики работы РС, микросхемотехники, радиоэлектроники, ЭРИ и определенных навыков работы с сервисным тестовым оборудованием.

Следует отметить, что чисто аппаратная диагностика практически не встречается, разве что при диагностике с использованием словарей неисправностей или таблиц эталонных состояний, да и то – симптомы, которыми в этих случаях приходится руководствоваться, выработаны либо ОС, либо
тест-программой, либо микропрограммным тестом, а это уже не чисто аппаратная диагностика. Чисто аппаратной можно считать диагностику отдельных узлов ЭВМ, таких как ТЭЗ, которые проверяются не при автоматическом выполнении АПС проверочных тестов, а при подаче тестирующих последовательностей на исследуемый узел непосредственно от сервисного устройства, например УТК, или генератора стимулирующих воздействий.

Программный аспект диагностики подразумевает использование тестирующих программ различных классов: микропрограммные тесты, встроенные тест-программы, внешние тест-программы общего применения, наконец, – внешние тест-программы углубленного тестирования. Сюда же следует отнести и те небольшие программы или примеры, которые приходится писать самим обслуживателем АПС, для конкретных случаев диагностики неисправностей отдельного узла ЭВМ, ПЭВМ в конкретном режиме его работы.

При программном методе диагностики, большая часть диагностических процедур возлагается на диагностические программные средства. Этот метод требует определенных знаний различных диагностических программ, начиная с POST-программы и кончая программными средствами углубленной диагностики компонент ВС.

Тем не менее, насколько трудно обойтись без программных средств диагностики, настолько и невозможно точно определить место неисправности с точностью до компоненты схемы (ИМС БИС, конкретного ЭРЭ), или до конкретной цепи, без применения аппаратных средств диагностики (осциллографа, мультиметра и т. д.).

2.4.1 Аппаратные средства диагностики РС

2.4.1.1) Стандартная контрольно-измерительная аппаратура

Для замеров уровней напряжений, токов, сопротивлений, наблюдения осциллограмм сигналов в контрольных точках, измерений параметров электрических сигналов, можно использовать обычную, стандартную КИА, с характеристиками, соответствующими измеряемым сигналам и их параметрам.

Ее краткий перечень и назначения:

1) низковольтный тестер (с напряжением питания не более 1,5 В, но лучше – цифровой мультиметр).

Им можно:

- измерять потенциалы на выводах ИМС, определяя уровни логических 0 и 1, или высокоимпедансное состояние (“воздух”);

- проверять целостность линий связи в печатных платах, без риска повреждения ИМС;

- определять, часто без выпаивания, целостность p-n -переходов в полупроводниковых диодах и транзисторах;

- грубо проверять исправность резисторов и конденсаторов;

- измерять величины питающих напряжений и токи потребления от каналов БП;

2) обычный осциллограф (синхроскоп), к сожалению, не всегда помогает при анализе дефектов в РС, так как на SВ РС очень мало синхронно повторяющихся процессов. Осциллограф применим только для просмотра синхросигналов, сигналов интервального таймера, циклов шины, да и то только в том случае, если удается зациклить процесс обращения к порту или ОЗУ по одному и тому же адресу. Осциллограф, однако, поможет разобраться в работе схемы, имеющей дефекты типа замыкания, приводящие к монтажному ИЛИ (когда выходы двух или более ИМС объединяются замыканием в монтаже). В этом случае, если и не удается просмотреть осциллографом развертку всей последовательности импульсов, можно заметить наличие импульсов неправильной, урезанной амплитуды, но для этого все-таки нужно уметь зациклить нужный кусок программы или микропрограмму;

3) телевизионный осциллограф просто незаменим при анализе работы видеомонитора.
TV-осциллограф позволяет выделить одну строку изображения, засинхронизировать ее, и увидеть на экране синхросигналы строчной развертки, бланкирующие импульсы, уравнивающие сигналы и аналоговый видеосигнал с его уровнями яркости и цветности.

Это удобно в том случае, когда используются видеокарты, формирующие полный телевизионный сигнал для модуляции кинескопа и управления развертками.

4) частотомер в диагностике РС применяется редко, и только для точного определения частот задающего генератора синхросигналов и таймеров. Частотомеры обычно имеют довольно низкое входное сопротивление и сильно нагружают исследуемую схему, поэтому к ним дополнительно нужны бестоковые входные адаптеры на полевых транзисторах, или, если хватает чувствительности частотомера, использовать индуктивную петлю связи.

5) двухканальный (многоканальный) осциллограф используются для измерений фазовых характеристик сигналов, например так, как проиллюстрировано на рисунке 2.1.

6) запоминающий осциллограф содержит специальную оперативную память и позволяет зарегистрировать однократный или переходной процесс, в том числе, обнаружить помеху в зарегистрированной последовательности сигналов. Прибор очень дорог и имеет малое быстродействие, часто недостаточное для анализа быстрых процессов в РС. Емкости памяти запоминающего осциллографа часто недостаточно для регистрации длинных последовательностей. Возникают и проблемы с поиском сигнала для синхронизации (запуска регистрации) осциллографа. Но важно то, что такой осциллограф позволяет зафиксировать форму однократного исследуемого сигнала и в этой роли ему нет равных;

синхросигнал Е ─┐ ┌──┐ ┌─ канал А
└──────┘ └───────┘──────┐ ┌──┐ канал В
│ └──────┘ └────Q t │<── задержка сигнала Q относительно сигнала Е

Рисунок 2.1. Осциллограмма сдвинутых последовательностей.

7) генератор прямоугольных импульсов вырабатывает непрерывную последовательность импульсов с заданными параметрами и используется, совместно с осциллографом, – для проверки работы пересчетных схем, таймеров и т. п. в СВТ вообще и РС в частности.

Контрольные вопросы.

1. Для чего можно использовать мультиметр, при диагностике неисправностей в СВТ?

2. Где, при диагностике РС, следует использовать телевизионный осциллограф?

3. В чем достоинство и недостатки запоминающего осциллографа?

4. Для чего используется генератор прямоугольных импульсов в диагностике неисправностей СВТ?

2.4.1.2) Специальная контрольно-измерительная аппаратура

При исследовании процессов в цифровой технике, стандартной КИА часто оказывается недостаточно – слишком велика трудоемкость регистрации и сравнения столь длинных неповторяющихся последовательностей импульсов, которые характерны для работы процессора, контроллеров и других узлов схемы компьютера. Поэтому развитие микропроцессорных систем потребовало разработки широкого спектра специализированных приборов и сервисных средств регистрации цифровых логических сигналов, двоичных последовательностей и состояний узлов СВТ, начиная с простых логических пробников, фиксирующих наличие логических нуля или единицы в исследуемой точке, и кончая логическими анализаторами. Последние позволяют регистрировать входные и выходные двоичные последовательности для исследуемых узлов, автоматически сравнивать их с эталонными и сообщать оператору о месте и характере несовпадений логических состояний цифровой схемы с эталонными.

Этот класс приборов и аппаратов называют нестандартной, или специальной КИА.

Наиболее широко известны и применяются в практике диагностики СВТ следующие приборы и устройства нестандартной контрольно-измерительной аппаратуры:

- логический пробник,

- индикатор тока,

- пульсатор,

- тест клипсы,

- сигнатурный анализатор,

- логический анализатор.

Логический пробник.

Логический пробник – очень простое устройство, изготовить которое по силам даже начинающему радиолюбителю. Он содержит пороговые схемы, фиксирующие уровни логического нуля, логической единицы, уровень на неподключенном входе логической ИМС (для ИМС ТТЛ это: >+0,4 вольт и <+2,4 вольт, т .е. в районе 1 вольта), с индикацией этих уровней на светодиодах, лампочках накаливания, светодиодных или ЖКИ-индикаторах и т. п.

Очень полезно иметь в пробнике триггер-ловушку одиночных импульсов, т. к. однократно появляющийся сигнал невозможно зафиксировать ни одним из приборов стандартной КИА. Часто ловушку одиночных импульсов выполняют на двоичных счетчиках, что позволяет зафиксировать и пары импульсов и более, смотря по тому, сколько разрядов имеет установленный в пробнике счетчик.

Некоторые модели логических пробников имеют еще и встроенный генератор одиночных импульсов – пульсатор , срабатывающий по нажатию специальной кнопки на корпусе пробника. Это позволяет подавать стимулирующий импульс в заданную точку схемы, например на вход триггера, а значит, очень просто, всего одним логическим пробником, проверять, в первом приближении, работоспособность RS-, D-, или JK-триггера.

Электрическая схема пробника выполняется на биполярных или полевых транзисторах и стандартных ИМС. Питание пробник может получать прямо от исследуемого блока и, при хорошем исполнении, пробник имеет размеры с большую авторучку, что создает неоценимые удобства работы с ним. Так, при работе с логическим пробником, не требуется переводить взгляд с точки его подключения к схеме на измерительный прибор, как при работе с осциллографом или мультиметром, т. к. индикатор состояния измеряемой точки у логического пробника находится вблизи его щупа.

Недостатком логического пробника является то, что, каждая его модель рассчитана на регистрацию сигналов от ИМС только одного типа, скажем ТТЛ, или ЭСЛ; сделать его универсальным довольно сложно, но можно иметь для этой цели и два разных пробника.

Индикатор тока .

Индикатор тока – это устройство, выполненное в размерах логического пробника, которое позволяет проверить как целостность монтажа, так и исправность входной цепи ТТЛ-микросхемы. Выполнить эту проверку с использованием стандартной КИА достаточно сложно, а индикатором тока – легко и просто. Идея его работы использует то обстоятельство, что вход ИМС ТТЛ-типа представляет собой ключевой генератор входного тока.

Индикаторы тока бывают нескольких типов. Наиболее простые из них определяют микроразность потенциалов (падение напряжения) на участке соединительного проводника. Такой датчик индикатора тока имеет серьезные недостатки:

1) он должен уметь надежно фиксировать единицы милливольт падения напряжения на измеряемом участке монтажного проводника, или печатного шлейфа, что реализовать технически непросто;

2) требует контактов с двумя точками исследуемой цепи (а точнее с четырьмя – по одному токовому и одному потенциальному в каждой точке) и, если печатный монтаж имеет селективную защиту (что обычно имеется), датчик эту защиту в точках контакта нарушает;

3) для надежного контакта с исследуемым проводником требуется заметное механическое усилие на остриях индикатора тока, что при современных плотностях монтажа (ширина линий шлейфа доходит до 0,1мм) может привести к обрыву проводника в этих точках.

Более совершенный логический пробник использует бесконтактный принцип детектирования тока в проводнике и выполняется с использованием магниторезисторов, или магнитоэлектрического эффекта Холла.

Стандартный индикатор тока показывает наличие тока в проводнике, начиная от 10 mkA. Его чувствительности достаточно для индикации рабочих токов ТТЛ-ИМС при поступлении на ее вход логического нуля, утечек тока при поступлении на вход ИМС логической единицы, обрывов проводников на входах и выходах ИМС, замыканий цепей и прочее.

Индикатор тока, выполненный на магниторезисторах или датчиках Холла, имеет один недостаток – он не работает с ИМС КМОП, так как полевые транзисторы по входам – не токовые элементы, а потенциальные, впрочем, здесь не поможет и контактный датчик.

Тест-клипсы.

В качестве дополнительных устройств диагностики неисправностей ИМС раньше использовались логические тест-клипсы, позволяющие, не нарушая монтажа, подключить эталонную микросхему параллельно исследуемой и индицировать несовпадения в их работе. Ограниченность их применения объясняется, с одной стороны, разнообразием используемых корпусов ИМС (8-, 14-, 16-, 24-выводные DIP, планарные и т. д.), требующим большой номенклатуры клипс, а с другой – недостаточной надежностью контакта клипсы с выводами ИМС. Вдобавок ко всему, к СБИС с многорядным расположением выводов, таким как СБИС микропроцессора или микроконтроллера, подключать клипсы вообще физически невозможно.

Логический анализатор.

Развитием идеи многоканального осциллографа с запоминанием является логический анализатор.

Простая модель логического анализатора это – регистр сдвига, с индикаторами его состояния. На сдвигающий вход регистра, подается тактирующая (стробирующая) последовательность импульсов, а на последовательный вход – исследуемая последовательность сигналов (биты уровней логических 0 и 1). С приходом каждого следующего стробирующего импульса, уже имеющаяся в регистре информация сдвигается на один разряд вправо, а очередной бит на входе записывается в начало регистра. Выдвигающаяся при этом из регистра информация теряется. В момент регистрации (фиксации ошибки) сдвиг и запись прекращаются и сдвиговый регистр переходит в режим хранения. Теперь, пользуясь индикацией регистра сдвига, можно просмотреть предысторию возникновения ошибки в исследуемой точке, на глубину разрядности регистра. Каждый последующий разряд регистра показывает, был ли логический 0 или 1 за такт стробирования до текущего. Например, 32-разрадный регистр сдвига позволяет зафиксировать состояние исследуемой точки схемы от 1-го до 32-го тактов, предшествующих регистрации. Этого не умеет делать ни один другой измерительный прибор.

Современные логические анализаторы имеют до 32-х синхронно работающих входов (каналов) с глубиной запоминания до 4096 тактов. Это возможно, конечно, только с использованием быстродействующих ОЗУ, а не регистров сдвига. Разрешающая способность лучших моделей анализаторов достигает 2 нсек.

Запуск, стробирование и регистрация информации логическим анализатором производятся по кодовым словам запуска, синхронизации и регистрации. Эти кодовые слова представляют собой бинарные кодовые комбинации, снимающиеся с нужных точек схемы.

Такие многоканальные логические анализаторы могут иметь встроенную, либо работать под управлением внешней, инструментальной микро-ЭВМ, или ПЭВМ. Это, в свою очередь, позволяет модифицировать вывод информации на дисплей, принтер, плоттер в цифровой бинарной, шестнадцатеричной системах, или в аналоговой форме – в виде осциллограмм. Применение микро-ЭВМ позволяет хранить эталонную информацию, автоматически сравнивать ее с зарегистрированной, указывать место их несовпадения, просматривать интересующие фрагменты в более мелком временном масштабе (лупа времени) и т. д., включая регистрацию помех в паузах между стробированием.

Работать с прибором не просто, – требуется глубокое понимание логики работы исследуемых компонент схемы, но без такого понимания невозможен и любой другой анализ неисправностей СВТ. Тем более невозможно, без помощи логического анализатора, исследовать ситуацию с возникновением одиночной ошибки, появляющейся только после продолжительной работы программы, да еще с плавающим характером ошибки.

Логический анализатор часто входит в состав аппаратного тестирующего комплекса PC-tester.

Сигнатурный анализатор .

Сигнатура – это этикетка, сжатое представление бинарной последовательности, образованное методом деления исходного информационного полинома (бинарной последовательности) на образующий (порождающий) полином с потерей частного, но с фиксацией остатка от деления. Остаток от деления и есть искомая сигнатура.

Принцип сжатия входной информации и критерии достоверности фиксации ошибок во входной последовательности, подробно разработаны в теории помехоустойчивого кодирования для передачи информации.

Физическая реализация функции деления входного полинома на образующий схемотехнически проста: это регистр сдвига с обратными связями, складывающими по модулю-2 соответствующие разряды регистра сдвига с очередным битом входной последовательности. Разрядность регистра сдвига определяется степенью образующего полинома (чем выше степень, тем меньше вероятность получения одинаковых сигнатур при разных значениях входного полинома, а значит и выше способность обнаружения ошибок разного типа). Вид образующего полинома, т. е. коэффициенты =1 при его членах, определяют, какие именно разряды участвуют в сложении по модулю-2 с входной последовательностью.

Пример образующего полинома:

P(a) = x⁰ + x³ + x⁸ + x⁹

Приведенный полином имеет девятую степень, коэффициенты =1 имеют аргументы со степенями 0, 3, 8 и 9. Остальные члены полинома в регистре сдвига присутствуют, но не принимают участия в сложениях по модулю-2, с входным информационным полиномом. Физическая реализация схемы деления входной последовательности Р(х) на вышеприведенный образующий полиномP ( a ) , приведена на рисунке 2.2.

Регистр сдвига

P ( x ) ───>┌─────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌─────┐ ┌─────┐
┌─>│ = M 2 │──>│ Х⁰ │──>│ X ¹ │──>│ X ² │──>│ X ³ │──>........──>│ X ⁸ │──>│ X ⁹ │
│ └─────┘ └──┬─┘ └────┘ └────┘ └─┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘
└───────────────┴─────────────────────────┴────────────────────┴─────────┘

Рисунок 2.2. Схемотехническая реализация функции деления двоичного информационного полинома на образующий полином типа P(a) = x⁰ + x³ + x⁸ + x⁹

После прохождения заданного числа сдвигов, однозначно определяющегося степенью входного полинома, т. е. его разрядностью, остаток от деления находится в регистре сдвига и может быть использован как сигнатура. Его можно вывести на индикацию в двоичном, или шестнадцатеричном виде, или ввести в память инструментальной ПЭВМ для сравнения с эталонной сигнатурой для данной точки схемы.

В отличие от логического анализа, сигнатура не содержит симптома ошибки в явном виде, но позволяет быстро, не рассуждая, определить, есть ли ошибка во входной последовательности. Если заранее сняты эталонные сигнатуры в виде таблиц, или ими снабжена принципиальная схема исследуемого узла ВС, то, запуская ту же самую тестирующую (стимулирующую) программу или микропрограмму, легко определить, находится ли неисправный элемент до или после данной точки. Элемент, имеющий верные сигнатуры на входах и неверную на выходе – неисправен.

Правда, все это справедливо только для комбинационных схем без обратных связей, иначе, для последовательностных схем, разрешающая способность сигнатурного анализа ограничивается узлом, охваченным обратными связями, но эти связи могут быть, и разорваны, например, с помощью DIP-переключателей, для того, чтобы превратить последовательностный узел в простую комбинационную схему. Так иногда делается в зарубежных СВТ. При разрыве обратных связей, узел, конечно, не выполняет заданных ему функций в схеме, но это и не важно при поиске дефекта, так как проверяемый узел все равно неисправен и его штатная работа невозможна.

Методика диагностики настолько проста и легко автоматизируется применением инструментальной ПЭВМ, что доступна персоналу с ограниченной квалификацией и используется в организациях и фирмах, специализирующихся на ремонте и наладке микропроцессорных систем, но требует:

- большой работы по предварительной разработке специальных тестирующих программ или микропрограмм для каждого узла ВС;

- средств разрыва обратных связей (перемычек или переключателей);

- обеспечения абсолютной повторяемости микропрограмм с точностью до стартового и стопового битов.

Сигнатурный анализатор выполняется либо в виде самостоятельного устройства, либо в виде одноплатной конструкции, устанавливающейся в слот расширения системной шины компьютера, либо входит в состав тестирующего комплекса, типа PC-tester.

Контрольные вопросы.

1. На каких принципах основана работа индикатора тока?

2. Как работает логический анализатор?

3. Какой принцип обработки входных двоичных последовательностей положен в основу работы сигнатурного анализатора?

4. В чем заключаются достоинства и недостатки логического анализа?

5. В чем состоят достоинства и недостатки работы с сигнатурным анализатором?

2.4.1.3) Сервисные платы и комплексы

Для облегчения диагностики неисправностей РС, промышленностью выпускаются несколько типов сервисных плат. Наиболее популярны сервисные платы:

- RACER,

- ROM&DIAG,

- HD-tester,

- AnalBus (Анализатор шины).

Главное их достоинство состоит в том, что платы RACERи ROM&DIAG, имея встроенные ПЗУ с тестовыми программами, перехватывают на себя управление по прерыванию 19h и вместо загрузки MBR с диска, запускают свою собственную программу тестирования компонент РС. Анализатор шины не имеет собственного ПЗУ с программой, а использует тест-программу, запускаемую стандартным образом. В качестве тест-программы для анализатора шины можно использовать и обязательно имеющуюся в ROMBIOS РС POST-программу , которая, как известно, выполняется при каждом старте РС, или любую другую стимулирующую (тестирующую) программу. Таким образом, с помощью этих сервисных плат можно, в первом приближении, протестировать РС, который даже не выполняет загрузки ОС и, следовательно, недоступен для тестирования внешней тестирующей программой типа CheckIt, NDiags и т. п. Такое, даже предварительное, тестирование трудно переоценить. Так, если при включении, компьютер ничего не выполняет, ничего не сообщает, экран дисплея пуст, и неизвестно с чего начинать, можно, вставив сервисную плату в свободный слот расширения и включив питание компьютера, получить первичные сообщения программы сервисной платы о том, какая из подсистем или компонент РС неисправна и принять меры к "оживлению" компьютера настолько, чтобы получить возможности более углубленного его тестирования.

Из отладочных комплексов наибольшее распространение имеют установки для тестового контроля (УТК) комбинационных и последовательностных схем цифровой логики, использующиеся в основном для проверки ТЭЗ ЭВМ Для профессиональной диагностики АПС типа РС и MainFrame используются отладочные комплексы типа PC-tester.

Для диагностики неисправностей современных персональных компьютеров типа Pentium существуют сервисные платы, подобные RACER, HD-tester, AnalBus. Они имеют разъемы для подключения к компьютеру через шину PCI и тестируют РС современной архитектуры. Если компьютер исправен настолько, что может выполнять загрузку с дисковода CD-ROM, можно использовать специальные диагностические CD-диски с набором разных тест-программ. Некоторые из этих дисков работают под управлением MS DOS, имеют загрузочный модуль этой операционной системы и позволяют выполнять некоторые тест-программы из набора Norton Utilities. Другие диски могут иметь свою собственную операционную систему упрощенного типа для выполнения своих тест-программ.

Сервисная плата RACER .

Диагностическая плата RACER предназначена для тестирования и диагностики неисправностей персональных компьютеров IBM PC/XT/AT и совместимых с ними.

Это устройство является комбинацией аппаратных средств и программного обеспечения. Плата удобна и надежна в обращении. Результаты проводимого платой тестирования выводятся на имеющиеся на плате светодиоды и на видеомонитор, входящий в состав компьютера, или на принтер. На основе опыта работы с платой RACER, можно сказать, что большинство компьютеров, которые кажутся "мертвыми", могут быть протестированы с ее помощью.

ROM BIOS компьютера, сразу после включения питания, прогоняет собственные тесты (POST-программу) различных узлов компьютера, правильная работа которых необходима для работы операционной системы. Работоспособность же платы RACER не зависит от типа используемого компьютера и его BIOS, и позволяет провести диагностику системной платы компьютера, даже если микросхемы RAM, ROM, 8237-DMA, 8255-PPI, 8259-контроллера прерываний, 8253-таймера и многие другие микросхемы (или чип-сет, содержащий эти узлы) неисправны. В этом случае следует воспользоваться, поставляемой в комплекте с платой RACER, ПЗУ с технологическим BIOS.

Но у платы RACER существует и альтернативный запуск, заключающийся в том, что если системная плата компьютера в определенной степени исправна, то программа RACER запустится даже без установки технологического BIOS.

Тестам платы RACER, в порядке следования, присвоены номера и буквы латинского алфавита.

Плата выполняет проверки следующих узлов компьютера:

1) счетчика таймера;

2) контроллеров прямого доступа к памяти;

3) регенерации оперативной памяти;

4) регистров страниц контроллера ПДП;

5) контроллеров прерываний;

6) контроллера клавиатуры;

7) положения переключателя типа видеоадаптера;

8) регистров микропроцессора;

9) базовой памяти;

10) микросхемы CMOS-памяти и RTC;

11) последовательных и параллельных портов;

12) контроллеров цветного и монохромного видеоадаптеров;

На плате RACER установлен 8-разрядный переключатель, который позволяет пользователю выбирать режимы проверки. Существует два режима скорости тестирования: быстрый и – нормальный. В любом из этих режимов возможен выбор полного набора тестов с их зацикливанием, или зацикливание только некоторого набора, или отдельного теста.

Имеющиеся на плате 8 светодиодов, могут помочь диагностировать систему, когда даже не работает видеосистема компьютера. Например, если светодиоды 4 и 1 – светятся, а 8 и 2 – погашены, то номер текущего теста 4+1=5, что соответствует тесту D, проверки схемы регенерации памяти. В конце каждого теста включается зеленый светодиод, если тест завершился успешно, или красный светодиод, если тест не прошел.

Сервисная плата ROM & DIAG .

Устройство ROM&DIAG предназначено для исполнения нестираемых программ, прошитых в его ПЗУ, и индикации результата POST-диагностики компьютера, которая выполняется POST-программой при его включении. Наличие этих функций в одном устройстве позволяет совмещать надежность и контроль работы программно-аппаратных частей компьютера при разнообразных применениях. Назначение конкретного устройства зависит от версии программы в его ПЗУ.

Если в ПЗУ ROM&DIAG прошита программа детального тестирования компьютера, то, совместно с POST-программой, устройство превращается в совершенный диагностический инструмент. Если в ПЗУ ROM&DIAG прошита программа управления периферийным оборудованием, то c ней могут проверяться и периферийные устройства на компьютере, содержащем всего только системную плату и источник питания. При этом, по светодиодному дисплею устройства ROM&DIAG можно наблюдать за POST-последовательностью, которая высвечивает необходимую диагностическую информацию. По мере добавления компонент в компьютер, устройство используется и для их тестирования.

Используя устройство в режиме POST-Loop, который осуществляет последовательную перезагрузку системы и исполнение последовательностей POST, можно непрерывно выполнять интенсивное тестирование системы. Система расширенной диагностики, программа которой размещена в ПЗУ устройства, позволяет тестировать базовую и расширенную память, жесткие диски, дисководы гибких дисков, видеосистему и т. д., но для этого нужно иметь кроме системной платы и источника питания еще видеоадаптер, монитор и клавиатуру.

Специальный переключатель платы, позволяет проверку обработки немаскируемых прерываний при работе с каналами ввода-вывода компьютера. В этом случае специальная программа в ROM&DIAG может сообщить о появлении NMI-сигнала в системе.

Некоторые из тестов требуют также наличия принтера, или используют простую тестовую аппаратуру, такую, как заглушка для тестирования последовательного порта.

На плате имеется также набор тестов, известных как Диагностика флоппи-дисков, но они требуют специальных диагностических (прецизионных) дискет, например фирмы DYSAN Digital.

Сервисная плата AnalBus .

Сервисная плата «Анализатор шины» предназначена для локализации неисправностей системных плат и адаптеров компьютеров. Она представляет собой плату, устанавливаемую в свободный слот (ISA, EISA или PCI, в зависимости от типа платы анализатора) расширения системной шины диагностируемого компьютера.

Анализатор позволяет осуществлять останов по обращению к любому адресу памяти или порта, устанавливать пошаговый режим работы и индицировать состояние адресной шины, шины данных и основных идентификаторов цикла шины. Кроме того, анализатор может выполнять зацикливание начальной части тестирующей программы, что позволит, для локализации неисправностей компьютера, эффективно использовать осциллограф. Благодаря режиму зацикливания, улучшаются условия синхронизации осциллографа, при этом на экране можно получить устойчивое изображение анализируемого процесса.

Для индикации состояния шины используются светодиодные индикаторы.

Режимы работы анализатора шины.

Пошаговый. В этом режиме анализатор, установленный в слот проверяемой системной платы, позволяет блокировать шину после каждого цикла обращения . При этом на индикаторе анализатора можно прочитать в двоичном коде адрес обращения к памяти или порту, или данные, передаваемые по этому адресу, и идентификаторы цикла шины (IOR, IOW, MEMR, MEMW). Для запуска следующего цикла шины необходимо нажать кнопку "ПУСК" на анализаторе.

Этот режим удобно использовать для локализации неисправностей, возникающих в начальной стадии прохождения программы самотестирования POST, или после останова по заранее выбранному адресу. При этом проверяется правильность выборки адреса и данных на шине, а эталоном может служить последовательность адресов и данных исправной системной платы, аналогичной проверяемой..

Останов по адресу. В этом режиме на переключателях адреса следует набрать желаемый адрес останова. После запуска циклов шины (включение питания или RESET) выполняется нормальный автоматический режим работы компьютера. Блокировка шины в этом случае происходит при совпадении адреса обращения к памяти или порту с адресом, набранным на переключателях анализатора. При этом, на индикаторе платы отображается адрес обращения, или данные и идентификатор цикла шины, в зависимости от положения переключателя индикации шины адреса, или шины данных.

Этот режим удобен для локализации неисправностей системной платы, если известны некоторые характерные точки POST, или имеется его распечатка. После достижения указанного адреса, анализатор можно перевести в пошаговый режим и далее двигаться по шагам, нажимая каждый раз однократно кнопку “ПУСК”.

Анализатор шины позволяет зациклить начальную часть POST-программы, обеспечивая, таким образом, повторяющийся процесс. Для этого контрольная точка платы "ОSC" соединяется с входом синхронизации осциллографа, контрольная точка "RES" платы соединяется с входом сигнала RESET системной платы, устанавливается режим внешней синхронизации осциллографа, и затем включается питание исследуемой системной платы. Осциллографический анализ сигналов на выводах исследуемых компонент, проводимый в этом режиме, позволит локализовать неисправность с точностью до элемента.

Сервисная плата HD - tester .

Диагностическая плата HD-tester предназначена для организаций, занимающихся ремонтом и техническим обслуживанием НЖМД с интерфейсом IDE AT.

Плата позволяет проводить диагностику неисправностей НЖМД на физическом уровне, восстановление формата нижнего уровня (Low-Level Format) и паспорта диска, проверку НЖМД по типу входной/выходной контроль (комплексное тестирование).

Тестер выполнен в виде стандартной платы расширения компьютера IBM РС/AT. Вывод информации производится на дисплей компьютера. При работе HD-тестер не конфликтует с собственным НЖМД компьютера.

При запуске специальной управляющей программы РС3000АТ тестер пытается автоматически определить тип и параметры диагностируемого накопителя. После их определения, тип и параметры накопителя отображаются в строке MODEL дисплея, а управляющая программа тестера переходит в основное меню ВЫБОР РЕЖИМА.

Если тип и параметры тестируемого накопителя из-за его неисправности, или по другим причинам не могут быть определены автоматически, на экране компьютера появится сообщение «Параметры накопителя не определены» . В этом случае, можно ввести параметры накопителя вручную, или выбрать тип и параметры накопителя из имеющейся в программе РС3000АТ базы данных, для каждого из типов накопителей.

Различные режимы тестирования предназначены для проверки следующих узлов накопителя:

- канала считывания/записи;

- системы позиционирования;

- шпиндельного двигателя и схемы его управления.

- IDE-интерфейса накопителя;

- однокристального микроконтроллера диска;

- управляющего микропроцессора;

- сепаратора данных и тракта формирования данных;

- буферного ОЗУ (буфер сектора).

Режим Форматирование осуществляет корректное восстановление формата нижнего уровня (LOW-LEVEL) и паспорта диска.

Режим Измерение периода вращения магнитных дисков позволяет точно определить скорость вращения шпиндельного двигателя диска.

Режим Чтение регистра состояния в цикле предназначен для проверки HOST-шины микроконтроллера НЖМД в случаях, если накопитель не реагирует на поступающие команды, воспринимает команды неверно, или НЖМД все время ЗАНЯТ (бит BSY регистра состояния активен). При тестировании непрерывно повторяется короткий цикл чтения регистра состояния. Поиск места неисправности, в этом случае, производится самим оператором, с использованием принципиальной схемы накопителя и осциллографа.

Тест буфера сектора предназначен для проверки внутренней шины данных НЖМД, всех шинных формирователей, находящихся на этой шине, внутренней шины однокристального микроконтроллера и буфера сектора. Программа теста выполняет команды "запись буфера сектора" и "чтение буфера сектора".

Режим Запись сектора в цикле предназначен для проверки канала записи НЖМД и схемы прекомпенсации записи. При тестировании непрерывно повторяется короткий цикл записи сектора НЖМД кодом 0000h. Поиск неисправности осуществляется оператором, при помощи осциллографа и принципиальной схемы накопителя. В ответ на запрос программы, нужно ввести номер цилиндра, номер головки и номер сектора, на который будет производиться запись.

Режим Чтение сектора в цикле предназначен для проверки канала чтения НЖМД, сепаратора данных и синхросигналов. При тестировании непрерывно повторяется короткий цикл чтения сектора НЖМД. Поиск неисправности осуществляется оператором, с использованием осциллографа и принципиальной схемы накопителя.

Режим Внутренняя диагностика НЖМД. При запуске этого режима выполняется команда 90h "внутренняя диагностика НЖМД", при которой проверяются:

- управляющий микропроцессор;

- схема формирования кода циклической контрольной суммы сектора (CRC);

- буферное ОЗУ;

- однокристальный микроконтроллер диска.

Режим C брос НЖМД предназначен для сброса "висящих" накопителей.

При запуске режима выполняется:

- аппаратный сброс НЖМД;

- инициализация;

- рекалибровка.

Комплексный тест.

Информация о тестировании отображается на дисплее компьютера в строке STATUS и на светодиодах регистра состояний и регистра ошибок.

Тесты НЖМД, входящие в комплексный тест.

Тест контроллера выполняется как режим Внутренняя диагностика.

Тест буфера сектора, выполняется как описано в одноименном режиме.

Тест рекалибровки. При запуске этого теста выполняется команда 10h РЕКАЛИБРОВКА

Тест Проверка формата предназначен для проверки формата нижнего уровня IDE AT-накопителей (Low-Level Format).

Тест Случайное чтение предназначен для проверки надежности работы системы позиционирования НЖМД. При выполнении теста, номер цилиндра выбирается случайно в диапазоне от 0-го и до максимального номера цилиндра. Номера головок перебираются циклически. Число позиционирований равняется общему количеству цилиндров НЖМД.

Тест Проверка поверхностей предназначен для посекторной проверки полей данных формата НЖМД. При выполнении теста, в каждый сектор дорожки записывается код 6DB6h с последующим чтением и сравнением записанной и считанной информации. Информация, отображаемая на светодиодах регистра состояний и регистра ошибок, позволяет судить о причинах ошибок при проверке поля данных НЖМД.

Одновременно с окончанием тестирования, в текущей директории создается текстовый файл PC3000.DAT, содержащий листинг результатов. Листинг результатов тестирования содержит информацию о типе и параметрах тестируемого накопителя, дате и времени тестирования и результатах выполнения каждого из тестов, с оценкой PASS или FAIL, и количеством выявленных ошибок, при выполнении каждого из тестов (ERRS). Каждая выявленная ошибка сопровождается значением регистра состояния и регистра ошибок на момент появления ошибки. В конце листинга дается общая оценка результатов тестирования: тест прерван, PASS, FAIL. Оценка FAIL дается, если в процессе тестирования выявлена хотя бы одна ошибка. Это связанно с тем, что НМЖД IDE AT имеют процедуру скрытия дефектов, и на полностью исправном накопителе дефектов быть не должно.

Режим Форматирование предназначен для восстановления формата нижнего уровня (LOW-LEVEL FORMAT) IDE AT-накопителей, при помощи универсальной процедуры форматирования, а также специализированных процедур для тех НЖМД, которые не форматируются универсальной процедурой. B версии программного обеспечения тестера не ниже 1.30, содержатся специализированные утилиты для восстановления формата и паспорта диска НЖМД, фирмы WESTERN DIGITAL: :WD93024A, WD95024A, WD93044A, WD95044A.

Сервисные комплексы УТК.

Сервисные комплексы УТК: ППЯ-8, УТК-1М, УТК-2, УТК-5 предназначены для тестового контроля цифровых детерминированных устройств ЭВМ (ячеек, ТЭЗ). Комплексы могут быть использованы также для тестового контроля логических БИС ПЭВМ (контроллеров, счетчиков и т. п.), содержащих комбинационные и последовательностные схемы, работа которых может быть описана Булевыми функциями, или таблицами истинности. Вышеперечисленные УТК имеют одинаковую логическую структуру и принципы работы, и различаются только разрядностью входов-выходов проверяемых схем (разъемов для их подключения), способами ввода тестовой информации (ручной восьмеричный, ручной двоичный, автоматический с ФСМ, автоматический с ПЭВМ) и форматом кадра (режима) элементарной проверки. Все необходимые сведения о работе конкретной УТК можно почерпнуть из их технических описаний.

Все типы установок тестового контроля (УТК) работают по одному принципу. Для примера, разберем устройство и работу УТК типа ППЯ-8.

УТК ППЯ-8 содержит 60-разрядный операционный регистр , где хранится информация для каждой элементарной проверки состояния тестируемой схемы (режим): набор входных воздействий на проверяемую схему и эталоны выходных реакций этой схемы в каждом конкретном режиме. Каждый разряд операционного регистра соответствует одному из контактов разъема, через который подключается проверяемый ТЭЗ.

Все информационные разряды регистра с помощью коммутирующего устройства подключаются к одноименным контактам разъема, в который вставляется проверяемый ТЭЗ. Коммутирующее устройство ППЯ-8 представляет собой наборное поле из 58 переключателей и, для подачи входных воздействий, все переключатели, соответствующие входным контактам схемы, перед началом проверки должны быть вручную установлены в положение «ВКЛЮЧЕНО», а переключатели, соответствующие выходным контактам проверяемой схемы, – в положение «ОТКЛЮЧЕНО». Каждый из типов проверяемых ТЭЗ имеет свои наборы входных и выходных контактов в соответствии с логическими функциями, выполняемыми данным ТЭЗ. Поэтому эта коммутация производится один раз перед началом проверки ТЭЗ данного типа, а, при переходе к проверке ТЭЗ другого типа, должна быть набрана новая коммутация.

Если соответствующий номеру контакта тумблер поля коммутации находится в положении «ОТКЛЮЧЕНО», коммутирующее устройство подключает одноименный разряд регистра и соответствующий ему выходной контакт разъема проверяемого ТЭЗ – к схемам сравнения по модулю-2.

Если же тумблер поля коммутации находится в положении «ВКЛЮЧЕНО», тогда уровень логического нуля, или единицы одноименного разряда регистра, подается на вход одноименного контакта разъема проверяемого ТЭЗ.

Таким образом, набор входных воздействий, находящийся в операционном регистре, подается на входы проверяемого узла схемы, а выходные реакции этого узла, отработанные его логической схемой, сравниваются с эталонами выходных реакций, тоже находящимися в соответствующих разрядах того же операционного регистра. После полного ввода (60 бит информации) очередного режима, автоматически включаются все схемы сравнения УТК и, при полном совпадении всех выходных реакций с эталонами, УТК позволяет вводить очередной режим проверки. Если же уровень (логический 0 или логическая 1) хотя бы одного какого-то выхода схемы с эталоном не совпадает, то высвечивается сигнал об ошибке, загораются индикаторы номеров контактов разъема, на которых обнаружены несовпадения, и дальнейший ввод информации блокируется, о чем сигнализирует индикаторная лампочка «ОСТАНОВ».

УТК ППЯ-8 имеет 58-контактный разъем для подключения ТЭЗ, но проверяемыми являются только 55 контактов, т. к. 1, 2 и-3-й контакты разъема стандартно отведены для подачи на ТЭЗ питающих напряжений.

Ввод информации в ППЯ-8 возможен вручную, с восьмеричного кнопочного наборника, или автоматически, с фотосчитывающего устройства перфолент – FS-1500, или с LPT-порта инструментальной ПЭВМ. Восьмеричный код выбран для удобства ручного ввода. Ввод информации защищен от ошибок контрольными разрядами К1 и К2, охватывающими все поле информационного регистра. Выбран раздельный контроль до нечетности всех нечетных разрядов регистра (им соответствует контрольный разряд К2), и отдельно – всех четных разрядов регистра (им соответствует контрольный разряд К1). Два контрольных разряда используются потому, что, как известно, простой паритетный контроль по модулю-2 пропускает все кратные двум ошибки, в том числе и перестановку разрядов.

При начале тестирования последовательных (содержащих элементы памяти) схем, все элементы памяти (триггеры и т. п.) в них должны быть приведены в исходное состояние, иначе выходные реакции схемы будут непредсказуемы. Для приведения схемы в исходное состояние может потребоваться несколько тактов (режимов) работы УТК с пока непредсказуемыми результатами. Для возможности такой работы, операционный регистр снабжен дополнительным служебным разрядом «СР» (сравнение), при нулевом состоянии которого работа схем сравнения блокируется. Когда схема приведена в исходное состояние, этот разряд устанавливается в единицу и тем самым обеспечивается полновесная проверка схемы. Конечно, при проверке чисто комбинационных схем, разряд «СР» может и должен быть установлен в единицу во всех режимах, начиная с первого.

Для сигнализации о нормальном окончании проверки ТЭЗ, если все режимы проверочного набора прошли без ошибок, в операционном регистре находится еще один служебный разряд «КТ» (конец теста). Этот разряд содержит единицу только в одном, последнем режиме. При его наличии в операционном регистре и отсутствии несовпадений, загораются индикаторы «ИСПРАВНО» и «КОНЕЦ ПРОВЕРКИ».

Сервисный комплекс PC - tester .

Некоторые зарубежные фирмы, для нужд производства РС, выпускают специальные тестирующие и диагностирующие комплексы аппаратной диагностики . Номенклатура универсальных комплексов для технического обслуживания АПС достаточно велика, но из всего их разнообразия наиболее широко применяется в ремонтных организациях – аппаратная сервисная система PC-tester.

Комплекс PC-tester содержит практически все универсальные аппаратные средства диагностики РС:

- развитые логические пробники,

- индикаторы тока,

- генераторы стимулирующих импульсов,

- наборы цифро-аналоговых измерителей параметров сигналов,

- логические компараторы ИМС малой интеграции (тест-клипсы),

- устройства шинного анализа,

- специальные генераторы тест-программ для диагностики различных узлов и устройств РС,

- логический и сигнатурный анализаторы

и многое другое оборудование, способное работать под управлением инструментальной ПЭВМ, также обычно входящей в этот комплекс.

Комплекс рассчитан на инженеров и техников, занимающихся углубленной диагностикой неисправностей компьютеров в ремонтных организациях. Исполнение комплекса PC-tester зависит от области его применения. Так, для мобильного использования, часто используется PC-tester, имеющий ограниченный набор специальной КИА и выполненный, подобно компьютерам LapTop, – в небольшом кейсе. Комплексы для стационарного использования имеют более развитые аппаратные и аппаратно-программные средства функциональной диагностики, часть из которых была разобрана выше.

Контрольные вопросы.

1. Какие преимущества имеют аппаратные средства диагностики перед программными?

2. Какие компоненты РС можно протестировать с помощью платы RACER?

3. Какие компоненты РС можно протестировать с помощью платы ROM&DIAG?

4. Какие задачи способна выполнять плата AnalBus?

5. Какие программные средства могут использоваться при работе с AnalBus?

6. Для чего предназначена сервисная плата HD-tester?

7. Какие типы НЖМД тестирует HD-tester?

8. Как форматируются НЖМД фирмы WD?

9. Какие задачи призваны выполнять УТК?

10. Как осуществляется контроль ввода информации в ППЯ-8?

11. На чем основан принцип проверки электрических схем на УТК?

12. Где используются сервисные комплексы PC-tester?

2.4.2 Программные средства диагностики РС

Программных средств проверки функционирования и диагностики неисправностей существует множество, для самых разнообразных операционных систем, но здесь будут рассматриваться, в основном, только средства диагностики, работающие под MSDOS. Тому есть ряд причин:

- во-первых, под DOS их написано больше всего,

- во-вторых, диагностика РС под DOS намного проще, чем под Windows или, скажем, UNIX,

- в-третьих, для работы ОС Windows требуется практически 100% работоспособности компьютера, значит и диагностировать почти нечего (разве что средства коммуникации, клавиатуру и некоторые другие периферийные устройства ),

- в-четвертых, развитость диагностики под DOS гораздо выше, чем для любой другой ОС. Так, наиболее известная для Windows диагностическая программа Sandra-2000 практически никакой диагностики неисправностей не производит, а выполняет только тестирование компонент АПС для определения показателей производительности (Benchmarks) компонент самого тестируемого РС,

- в-пятых, MSDOS для своей работы требует минимальных ресурсов и быстродействия РС: объема ОЗУ достаточно 512Кбайт, емкости жесткого диска достаточно 20Мбайт, DOS может работать даже с CPUIntel 8088. А для работы под Windows требуется, как минимум, 4 Мбайт ОЗУ, процессор не хуже, чем
386/33 МГц и жесткий диск объемом не менее 120 Мбайт;

- в-шестых, ни одна версия Windows не ликвидирует (хотя и сильно сокращает) потребности в MSDOS и DOS-программах. Есть много областей деятельности, где DOS-программы и сейчас успешно работают, а использование Windows или иных ОС невозможно, или экономически нецелесообразно;

- в-седьмых, если компьютер, вследствие неисправности, с жесткого диска не загружается, то никакая диагностика средствами Windows невозможна и приходится использовать для его диагностики MSDOS, т. к. загрузить с дискеты Windows нельзя; можно загрузить Linux с CD-ROM, но развитых диагностических программ под Linux просто не написано,

2.4.2.1) Четыре уровня взаимодействия средств РС

Система работы РС включает четыре взаимосвязанных уровня взаимодействия прикладной программы с аппаратными средствами:

1) аппаратные средства (Hard Ware). Это – все электронное оборудование, кабельное хозяйство, электромеханические блоки и устройства компьютера;

2) -аппаратно-программные средства (Firm Ware). Это – программы ROM BIOS на SB и на картах расширения, встроенные программы, системные драйверы, и т. п.;

3) DOS (DOS-Soft-Ware). Это – системное программное обеспечение, системные средства, интерфейс пользователя и прикладных программ, управление потоком данных, обработка прерываний, обслуживание систем ввода-вывода, планирование задач, ресурсов и т. д.;

4) прикладные программы (Soft Ware). Это – собственно пользовательские программы, решающие конкретные задачи (задачи пользователя): расчеты, ведение баз данных, управление, пакеты конструкторских, текстовых редакторов и т. п.

Взаимоотношения уровней взаимодействия программных и аппаратных средств персонального компьютера можно представить в виде следующей схемы:

┌───────────────────────┐
│ SOFTWARE │

┌────┴───────────────────────┴───┐
│ DOS-WARE │
┌──┴────────────────────────────────┴──┐
│ FIRMWARE(BIOS) │
┌─┴──────────────────────────────────────┴─┐
│ HARDWARE │
└──────────────────────────────────────────┘

Для работы прикладной программы (Soft Ware) нужен диспетчер , запускающий программу, предоставляющий ей вычислительные ресурсы (CPU, DRAM, диски, консоль, ПУ и др.) и обрабатывающий нештатные ситуации, возникающие при работе Soft Ware. Это задача операционной системы, на схеме – DOS-Ware.

DОS предоставляет интерфейс прикладным программам, для удобного стандартного доступа к периферийным устройствам и, отчасти, пользователю – для подготовки, оптимизации и других функций текущей эксплуатации прикладных программ и периферийных устройств (форматирование, копирование, сверка, удаление файлов и многое другое).

Для работы DOS необходимы средства доступа к аппаратным ресурсам – драйверы, обработчики прерываний, контролёры работоспособности ВС (это – Firm Ware, BIOS), специализированные на данное устройство и даже его тип. Эти средства, при выключенной машине, обычно хранятся в ПЗУ на SB и на контроллерах дисков, монитора, и т. д., но большая часть специальных внешних драйверов хранится на дисках. Тем не менее, все Firm Ware переписываются в ОЗУ самой DOS после ее загрузки. В ОЗУ все они находятся резидентно до следующей перезагрузки ОС. Для выполнения функций DOS предназначено все физическое оборудование компьютера, выполняющее логические преобразования, математические операции, управление, синхронизацию и т. д. (на схеме - это Hard Ware).

В персональных компьютерах при работе в MS DOS часто используются дополнительные сервисные средства, предоставляющие пользователю более удобный интерфейс, чем предлагает сама DОS, их принято называть оболочками D O S . Это – NC (Norton Commander), DN (DOS Navigator), VC (Volkov Commander), наконец, Windows раннихверсий. Эти средства на представленной схеме не занимают отдельного уровня, а являются как бы частью DOS, ориентированной не на Soft, а непосредственно на пользователя.

Особое место в схеме взаимодействий Soft Ware с Hard Ware занимают необязательные, но очень привлекательные сервисные программные средства – резидентные TSR-программы (TSR – TerminateandStayResident – по окончании работы остающиеся в ОЗУ резидентно). Они способны выполнять большое число функций, не поддерживаемых DOS, таких как русификация клавиатуры, дисплея, кэширование дисков, сжатие данных на дисках и многое другое. Эти средства не выделяют в отдельный уровень, но, по логике взаимосвязи средств, они должны располагаться между DOS Ware и Firm Ware, так как они обычно отслеживают и перехватывают обращения DOS к драйверам, выполняя свои собственные функции, и, при необходимости, самостоятельно вызывают нужные системные и внешние драйверы.

Контрольные вопросы.

1. Какие четыре уровня взаимодействий программных и аппаратных средств используются в РС?

2. Какие задачи выполняет DOS?

3. Какие аппаратно-программные средства использует DOS?

4. Где хранятся Firm Ware до, и где – после загрузки ОС?

5. Какие задачи решают оболочки DOS?

6. Какой уровень соответствует работе TSR-программ?

2.4.2.2) Понятие о функциональном контроле РС

Контроль функционирования IBM-совместимых РС производится тремя способами:

1) контроль при включении и загрузке ОС;

2) самоконтроль основных узлов схемы РС;

3) проверка, с использованием внешних (загружаемых) тест-программ.

Самоконтроль способны выполнять узлы и устройства РС, имеющие собственное микропрограммное управление, такие как CPU, FPU, контроллеры HDD, KBD, видео-контроллер и некоторые другие интеллектуальные периферийные устройства. Самоконтроль осуществляют специальные тест-микропрограммы, зашитые в ПЗУ микропрограмм этих узлов.

Запускаются эти тест-микропрограммы либо при инициализации этих устройств во время загрузки операционной системы, либо автоматически, в режиме простоя (Ti-Idle) этих устройств. Так микропроцессор CPU i386 и старше, имея два специальных регистра самодиагностики TR6 и TR7, и микропрограмму самоконтроля, запускает режим самодиагностики по заднему фронту сигнала RESET, при условии, что сигнал BUSY=L (нижний уровень), т. е. CPU свободен в течение 78 периодов CLK2. Самодиагностика видеоконтроллера и контроллера KBD запускаются специальной командой диагностики от CPU, а самодиагностика контроллера HDD запускается при его инициализации POST-программой, или другими специальными процедурами.

Принтер обычно имеет встроенный режим автотестирования, который запускается пользователем, когда в этом есть необходимость, специальной кнопкой или комбинацией кнопок на его пульте управления. В отличие от контроллеров, которые в состоянии сами сверить реакции на тестовые воздействия с эталоном, принтер печатает диагональный тест всех доступных ему символов, а сверку с эталоном должен сделать сам пользователь или персонал обслуживания АПС.

Следует отметить, что все контроллеры проходят проверку их наличия и исправности, при их инициализации, но эта проверка далеко не полная и назвать ее тестированием нельзя.

Самый полный, и любой степени подробности, контроль функционирования выполняют внешние, загружаемые тест-программы. Эти тест-программы могут быть простыми, предназначенными для контроля АПС силами самого пользователя, и развитыми программами углубленного тестирования, которое выполняется персоналом обслуживания, при текущих и планово-предупредительных ремонтах АПС. Запуск таких тест-программ ничем не отличаются от запуска любой пользовательской программы, поэтому следует рассмотреть, как выполняется такой запуск.

Процедура запуска прикладных программ.

Для запуска прикладной программы нужна ОС (DOS), находящаяся в оперативной памяти компьютера, но если компьютер был выключен, то нужно предварительно загрузить в ОЗУ саму операционную систему. Это происходит следующим образом:

1. После включения питания PC, схемы контроля уровня питающих напряжений, находящиеся в БП (Hard Ware) выдают сигнал Power OK (Power Good).

2. По сигналу Power OK, ИМС интервального таймера (или СБИС чип-сета с этим таймером) вырабатывает сигнал RESET (приведение АПС в исходное состояние).

3. Сигнал RESET, после сброса CPU, FPU, контроллеров, кэш, регистров и т. д., своим задним фронтом запускает в работу CPU.

4. CPU вырабатывает обращение к ROM BIOS по адресу 0FFFh (первый адрес POST-программы); больше он самостоятельно ничего делать не может, кроме как выполнять инструкции (машинные команды), содержащиеся в объектном модуле исполняемой программы.

5. Проверив флаг рестарта ("холодный" старт или "теплый" рестарт), BIOS запускает всю (при "холодном" старте) или только некоторую (при "теплом" рестарте) часть POST-программы самоконтроля Hard Ware РС.

6. Если POST-программа выполняется неверно, то BIOS формирует и выводит на монитор видео-код обнаруженной ошибки (если видеоподсистема исправна) или аудио-код ошибки, если вывести код ошибки на дисплей нельзя из-за того, что видеосистема еще не проверена или неисправна.

7. Если POST-программа выполнилась, BIOS формирует для CPU команду чтения загрузочного сектора с FD (дисковод А:), привода CD или HD (дисковод С:).

8. Если в дисководе А: или на CD-дисководе находится системная дискета или компакт диск (первый сектор – загрузочный) и дисковод готов, то загрузочная запись с дискеты переписывается в ОЗУ и управление передается программе начальной загрузки DOS (IPL2), находящейся в BOOT-секторе загрузочной дискеты или CD-диска.

9. Если дисковод А: и CD-дисковод не активны, то формируется обращение к диску С: (HDD), откуда считываться Master Boot Record аналогично FD, и управление передается программе начальной загрузки DOS – IPL1. Впрочем, порядок опроса дисководов для загрузки операционной системы может быть по желанию пользователя изменен в настройках BIOS, с помощью утилиты SetUp.

10. Программа IPL загружает ядро DOS (ее резидентную часть) с диска – в ОЗУ и передает ей управление. Это ядро составляют файлы IBMBIO.COM и IBMDOS.COM (если DOS версии IBM) или IO.SYS и MSDOS.SYS (если DOS версии Microsoft), или два других аналогичных по функциям файла для других версий DOS, а также файл командного процессора – COMMAND.COM. Назначение последнего – дешифрация и исполнение системных команд, вводимых оператором в командной строке или записанных в конфигурационных файлах CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT и других пакетных командных файлах.

11. Теперь управление передается самой операционной системе, точнее ее файлу IBMDOS.COM. Файл IBMDOS.COM отыскивает в корневом каталоге системного диска конфигурационные файлы CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT и, используя имеющиеся в них системные команды и параметры, настраивает универсальную BIOS под ее требуемую программную конфигурацию. При дальнейшей работе, файл IBMDOS.COM обслуживает периферийные устройства, не поддерживаемые стандартной ROM BIOS. Если файлов CONFIG.SYS или AUTOEXEC.BAT нет, или в них не заданы параметры настройки универсальной DOS, то IBMBIO.COM оставляет настройки, имеющиеся в BIOS по умолчанию .

12. IBMDOS.COM реализует основные функции DOS, поддерживая промежуточный уровень обслуживания операций ввода-вывода, большая часть которых используется программами более высокого уровня.

13. Файл COMMAND.COM обрабатывает вводимые команды DOS, определяя дальнейшие действия компьютера.

14. Только теперь DOS выдает на дисплей системное приглашение и готова выполнять команды DOS, вводимые пользователем, в том числе команды ввода, загрузки, запуска прикладных, пользовательских программ.

15. Если в корневом каталоге имеется файл AUTOEXEC.BAT, то исполняются по-очереди все содержащиеся в нем системные команды запуска прописанных здесь служебных (в том числе и диагностических, если они прописаны в AUTOEXEC.BAT) программ. Среди них могут быть, например, русификаторы UniScreen, Keyrus, детектор вирусов AIDSTEST, программа поддержки нестандартного формата НГМД – 800, TSR-программы, например поддержки манипулятора "мышь" (MOUSE.COM), кэширования жесткого диска (SMARTDRV), формирования сжатых дисков (DUBLSPACE) и т. п. Наконец, обычно самой последней, прописывается команда запуска оболочки ОС, например, NC, VC, DN и т. п. Оболочка должна быть прописана последней строкой файла AUTOEXEC.BAT, иначе, после того, как ей будет передано управление, все последующие команды этого файла во время загрузки системы выполнены не будут. Они выполнятся только после выхода из оболочки (обычно – нажатием клавиши F10).

16. Если запуск оболочки DOS не был прописан в конфигурационном файле, то DОS выдает на дисплей системное приглашение, позволяющее из командной строки задавать на исполнение системные команды. Если же управление было передано оболочке, то сама оболочка формирует экран дисплея и предоставляет пользователю кроме функций ОС еще ряд дополнительных средств пользовательского интерфейса с использованием функциональных, "горячих" клавишей и т. п.

17. Только теперь пользовательская, в том числе и диагностическая, программа может быть запущена на исполнение командой, записываемой в командную строку, или, если работа производится, скажем, в оболочке NC, выбором соответствующей строки с именем этой программы, в текущем каталоге.

Обобщенный алгоритм работы POST -программы и загрузки операционной системы:

включение питания
│
БП: сигнал PG (питание в норме) ─> ГТИ, таймер
│
сигнал RESET ─> CPU :
сброс Рг DS , ES , SS , IP CS := 0 FFFh (адрес первой команды POST )
│
CPU выполняет первую команду JMP POST NMI .
│
│
Установка флагов CPU.
│
Тест Зп/Чт регистров CPU:
запись сегмента, верификация записанного.
│
Тест выполнен успешно? ─ нет ────────────┐
│ │
Тест ПЗУ ROM BIOS: │
подсчет контрольной суммы. │
│ │
Тест выполнен успешно? ─ нет ────────────>│
│ │
Инициализация DMA: │
│ │
- проверка временных операций │
│ │
Тест выполнен успешно? ─ нет ───────────>│
│ │

- инициализация таймера, │
- инициализация регистров DMA, │
- начало регенерации RAM. │
│ │
┌──── да ───── “Теплый” старт? │
│ │ │
│ тест первых 16К ОЗУ: │
│ запись и верификация │
│ фрагментов в RAM. │
│ │ │
│ Тест выполнен успешно? ─────── нет ────────>│
│ │ │
└────────────────────>│ │
│ │

Инициализация контроллера прерываний: │
- установка векторов прерываний, │
- тест контроллера, │
- проверка зп/чт в регистр масок прерываний, │
- маскирование прерываний, │
- проверка, что прерывания замаскированы. │
│ │
Тест выполнен успешно? ─────── нет ─────────>│
│ │
Тест таймера и правильности его счета. │
│ │
Тест выполнен успешно? ─────── нет ─────────>│
│ │
│ │
┌─ нет ─ Видеоконтроллер инсталлирован в CMOS ? │
│ │ │
│ Инициализация и запуск видеоконтроллера: │
│ - считывание из CMOS-памяти типа дисплея, │
│ - установка режима видеосистемы, │
│ - тест записи/чтения видео-RAM. │
│ │ │
│ Тест выполнен успешно? ─────── нет ─────────>│
└────────────────────────>│ │
На экране монитора отображается курсор │
│ │
Проверка слотов на установку карт: │
если установлены, то │
- тест записи/чтения на шинах XA и XD │
│ │
Тест выполнен успешно? ─────── нет ─────────>│
│ формирование
│ аудиосигнала
┌──── да ───── “Теплый” рестарт? ошибки SB ,
│ │ останов системы.
│ Тест базовой RAM:
│ запись/чтение и верификация фрагментов.
│ │
│ Тест выполнен успешно? ── нет ─────────────┐
│ │ │
│ Тест расширенной RAM: │
│ запись/чтение и верификация фрагментов. │
│ │ │
│ Тест выполнен успешно? ── нет ────────────>│
│ │ формирование
└─────────────────────>│ сообщения типа 200
│
┌──── нет ───── Клавиатура инсталлирована в CMOS ?
│ │

│ │
│ Тест KBD:
│ - программа сброса клавиатуры,
│ - разблокировка клавиатуры,
│ - проверка кода сканирования 0AAh,
│ - очистка буфера клавиатуры,
│ - проверка отсутствия нажатых клавишей.
│ │
│ тест выполнился успешно? ── нет ────────────┐
│ │ формирование
└─────────────────────>│ сообщения
│ типа 300
Установка таблицы векторов прерываний.
│
┌──── нет ───── “Теплый” старт?
│ |

│ └───────────────────>│ сообщения
└──────────────────────>│ типа 201

│
Тестирование контроллера HDD:
- проверка инсталляции HDD в CMOS,
- инициализация контроллера HDD,
- проверка состояния перемычек MASTER-SLAVE на HDD.
│
тест выполнился успешно? ── нет ────────────┐
│ формирование

Тестирование LPT и COM-портов: сообщения
│ типа 700
- тест записи/чтения в регистры LPT-порта,
- тест записи/чтения в регистры СОМ-порта,
- запоминание адресов действующих портов,
- установка времени ожидания для LPT и COM-портов.
│
тест выполнился успешно? ── нет ────────────┐
│ формирование
Разрешение прерываний. сообщения
│ типа 500
Выдача звукового сигнала (один короткий)
│
выход из POST-программы и переход к загрузке DOS

|

│ BOOT-RECORD прочитан? ── нет ─────┐ │

│ │ Сообщение: │
│ Передача управления на IPL2. ОШИБКА ЧТЕНИЯ, ИЛИ │
│ │ НЕСИСТЕМНЫЙ ДИСК. │
┌──│─────────────────────────┘ УСТАНОВИТЕ ДИСКЕТУ │
│ │ В ДИСКОВОД А: И НАЖМИТЕ│
│ └─────────────────────────┐ ЛЮБУЮ КЛАВИШУ │
│ Чтение MASTER-BOOT-RECORD c дисковода С: │ │
│ (цилиндр 0, головка 0, сектор 1) └───────────┘
│ │
│ MBR прочитан? ─── нет ─────────┐
│ │ Сообщение:
│ Передача управления на IPL1. ОШИБКА ЧТЕНИЯ или
│ │ НЕСИСТЕМНЫЙ ДИСК.
└───────────────────────────>│ УСТАНОВИТЕ СИСТЕМНУЮ ДИСЕТУ
│
Загрузка DOS

и передача управления

системным файлам IBMBIO . COM IBMDOS . COM

Контрольные вопросы.

1. Какая программа выполняется первой после старта РС?

2. Каково назначение программы IPL?

3. Где хранится программа IPL на выключенном РС, и где она находится во время загрузки системы?

4. Для чего предназначен файл IBMBIO.COM?

5. Для чего предназначен файл IBMDOS.COM?

6. Почему запуск оболочки DОС должен быть прописан последним?

2.4.2.3) Контроль функционирования АПС с использованием встроенных диагностических средств.

POST -программа.

Первая из встроенных, обязательно присутствующая в любом ROMBIOS, программ это POST (PowerOnSelfTest – самотестирование по включении питания).

Некоторые из аудио- и видео-кодов сообщений об ошибках, обнаруживаемых POST-программой, приведены в таблицах 2.1 – 2.9.

Таблица 2.1.

Некоторые звуковые сигналы POST -программы.

СИГНАЛ НЕИСПРАВНОСТЬ
1) Нет звукового сигнала, нет
реакции РС на включение - сеть, БП.
2) Длинный звуковой сигнал - БП, системная плата.
3) Серия коротких сигналов - системная плата.
4) Длинный и короткий - системная плата.
5) Длинный и 2 коротких - адаптер дисплея.
6) Один короткий и дисплей не светится,
или искаженные символы - дисплей.
7) Один короткий и нет загрузки
с диска - дисковод.

Таблица 2.2. Некоторые видео-коды системных ошибок.

КОД НЕИСПРАВНОСТЬ
100 - 199 - неправильная аппаратная
конфигурация системы;
- следует проверить Jumpers,
Switches, содержание CMOS-памяти.

Таблица 2.3. Некоторые видео-коды ошибок ОЗУ.

201 - ошибка ОЗУ
ХХ ХХ = 201 - ошибка памяти, где
│ └────────────────────────┐
00 - банк 0 неисправна ИМС:
04 - банк 1 00 - паритет
0В - банк 2 01 - чип D0,
0С – банк 3 02 - D1
04 - D2
08 - D3
10 - D4
20 - D5
40 - D6
80 - D7
1055 = 201 ─┐
2055 = 201 ─┘ - переключатели конфигурации памяти на SB
установлены неверно.
ХХХХ = 201 ─┐
PARITY CHECK x ─┘ - ошибка контроля ОЗУ: ХХХХ - банк и чип.
04 00 201 ─┐
РАRITY CHECK 1 ─┘ - ошибка бита паритета в банке 1,
04 04 201 ─┐
PARITY CHECK ─┘ - ошибка бита D2 в банке 1,
04 08 201 ─┐
PARITY CHECK ─┘ - ошибка бита D3 в банке 1 и т. д.

Таблица 2.4. Некоторые видео-коды ошибок клавиатуры.

301 - ошибка контроллера клавиатуры, или клавиатура не подключена
хх 301 - ошибка клавиатуры, где хх - номер неисправной
клавиши, при сканировании матрицы клавишей.

Таблица 2.5. Некоторые видео-коды ошибок монитора .

401 - неисправность платы монохромного монитора.
501 - неисправность платы адаптера CGA.

Таблица 2.6. Некоторые коды ошибок НГМД .

601 - плохая загрузочная дискета, или интерфейс НГМД:
плата адаптера, кабель, НГМД А:
606 - неисправность в конструкции дисковода или
контроллера
.607 - попытка записи на защищенную дискету,
- или неправильно вставлена дискета,
- или неисправна схема защиты записи,
- или неисправна плата электроники в НГМД.

Таблица 2.7. Некоторые видео-коды ошибок НЖМД.

608 - неисправен HDD
611 - 613 - неисправен кабель данных или ошибка платы
адаптера HDD
621 - 626 - неисправность в конструкции HDD.

Таблица 2.8. Некоторые видео-коды других ошибок ввода-вывода.

КОД НЕИСПРАВНОСТЬ
199 - 432 - неисправность контроллера или принтера
7хх - неисправность схем ввода-вывода на SB
9хх - неисправность контроллера LPT
901 - неисправен контроллер или принтер
11хх - 12хх - неисправность ввода-вывода на SB
13хх - неисправность адаптера игрового контроллера
14хх - неисправность интерфейса принтера
15хх - неисправность SB в части COM, или кабеля
COM-порта
18хх - неисправна плата COM-порта, или его кабель
1819 - неисправен контроллер COM-порта
1820 - 1821 - неисправен кабель COM-порта
20хх - 21хх - неисправность SB в части COM-порта, или
кабель адаптера COM-порта.

Таблица 2.9. Некоторые коды других ошибок .

СИМПТОМ, КОД, СООБЩЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЬ
Экран темный, звуковой сигнал был, - неисправно ПЗУ ROM BIOS
дисковод работает, на экране нет на SB или тактовый гене-
сообщения, нет системного приглашения. ратор.

F600 ROM ─┐
F800 ROM │ - ошибки ROM BIOS
FA00 ROM │ на системной плате.
FC00 ROM ─┘

Keyboard Not Functional - неисправна (не подключена, или
заблокирована) клавиатура.

ParityCheck 1 ─┐ - неисправность в ОЗУ,
Рarity Error 1 ─┘ попытайтесь обнулить ОЗУ.

Printer Problem - неисправность в принтере.

Контрольные вопросы.

1. Как выводятся сообщения о системных ошибках?

2. Какие из системных ошибок выводятся в виде аудио кодов?

3. После какой из проверок возможна выдача POST-программой сообщений об ошибках на видеотерминал?

4. Как POST-программа сообщает об ошибках DRAM?

5. Каким кодом POST-программа сообщает об ошибках KBD?

6. Что следует сделать, если система cHDD не загружается?

Программа ROM Diagnostic .

В некоторых компьютерах, где установлен ROMBIOS фирмы PhoenixTechnologiesLtd, имеется встроенная программа тестирования периферийных устройств компьютера – ROMDiagnostics, позволяющая протестировать жесткий диск, накопитель на гибких магнитных дисках, системную клавиатуру, видеоподсистему и коммуникационные LPT- и СОМ-порты.

Для запуска ROMDiagnostics нужно, в ответ на приглашение BIOS, нажать клавишу <Del> и, в открывшемся меню, выбрать пункт RUNDIAGNOSTIC. После этого, открывается главное меню программы, в котором выбирают устройство для тестирования: HardDisk, Floppy, Keyboard, Video или Miscellaneous. Программа проста в обращении, поддерживает общение с ней в диалоговом режиме. Так, после выбора пункта главного меню Hard Disk , появляется подменю режимов тестирования диска:

1) Format – для низкоуровневого форматирования НЖМД,

2) AutoInterleave – для автоматического определения и установки оптимального фактора чередования секторов на тестируемом диске,

3) MediaAnalyses – для проверки поверхности диска на отсутствие сбойных участков,

4) PerformanceTest – для измерения фактических скоростных характеристик тестируемого диска: средней скорости передачи данных в дисковой системе и времени позиционирования головок на соседний цилиндр,

5) SeekTest – тест проверки позиционирования головок методами линейного и случайного перебора всех цилиндров в заданном диапазоне. Ошибки позиционирования фиксируются,

6) Read/VerifyTest – тест чтения и верификации информации на диске (чтением данных со всех секторов и проверкой их на адекватность контрольных сумм), в заданных оператором пределах цилиндров,

7) CheckTestCyl – многократная проверка цилиндра записью, чтением и сверкой записанной информации не только с контрольной суммой, но и с эталонной информацией. Чтобы не потерять имеющуюся на диске информацию, тест выполняется на последнем цилиндре, который обычно никогда не бывает занят информацией,

8) ForceBadTracks – корректировка списка сбойных дорожек. Так, если в процессе тестирования диска по 3-му или 6-му режимам были обнаружены перемежающиеся сбои на некоторых дорожках, то эти дорожки можно вручную включить в список плохих, и они будут исключены из работы с диском. Конечно, доступная емкость диска несколько уменьшится на величину емкости всех помеченных дорожек, но диск в целом останется работоспособным без сбоев.

Если выбрать пункт Floppy главного меню, то откроется подменю для тестирования дисковода.

Для функциональной проверки клавиатуры следует выбрать пункт KeyBoard .

С помощью пункта Video главного меню можно проверить исправность и режимы работы компонент видеоподсистемы.

Пункт Miscellaneous главного меню позволяет проверить исправность СОМ- и LPT-портов компьютера. Для проверки СОМ-порта, на его разъем следует подключить внешнюю заглушку, перемыкающую контакты TXD – RXD, RTS – CTS и DSR – DTR. Без такой заглушки тест выводит сообщение об ошибке Error – Timeout (время ожидания ответа от абонента превышает лимит).

Тестирование устройств РС.

Тестирование устройств персонального компьютера, с использованием микропрограммных тестов практически не применяется, из-за стремления к удешевлению РС. Исключением является микропрограммное тестирование некоторых интеллектуальных устройств, таких как CPU, контроллеры клавиатуры и IDE-жестких дисков. И даже эти микропрограммы самотестирования выполняют минимальный тест функционирования, без детализации их компонент и локализации мест ошибок.

Центральный процессор микроЭВМ – самая важная, но и самая сложная часть АПС с точки зрения контроля его функционирования и диагностики неисправностей.

В развитых АПС типа MainFrame, процессор может выполняться на наборах отдельных плат (ТЭЗ), содержащих функциональные узлы процессора. В этом случае, эти узлы снабжаются и специальными схемами функционального контроля: схемы контроля арифметических и логических операций, выполняемых сумматором, схемы контроля счетчиков и дешифраторов, регистров хранения и сдвигов, схемы контроля работы блока микропрограммного управления и т. д. Это самый полный контроль вычислительного процесса, но и чрезвычайно дорогостоящий.

Если процессор имеет микропрограммное управление и допускает его перенастройку (загрузку других, аппаратно совместимых с ним микропрограмм), то, в ответственных случаях, используют микротестовый контроль и диагностику неисправностей процессора. При этом в ОЗУ микропрограмм процессора загружаются не микропрограммы машинных операций и процедур, а специально написанные микропрограммы его тестирования. Эти микропрограммы методом «раскрутки» досконально проверяют сначала все отдельные узлы регистров, сумматоров, сдвигателей, общей шины самого процессора, а затем – устройств его системной поддержки (таймеров, контроллеров прерываний, шинных формирователей и т. д.).

Код, полученный после выполнения соответствующей секции микротеста, может указывать не только на узел, но и – на конкретную компоненту неисправного узла (микросхему) с уточнением, в каком режиме, с какими данными и на каких выводах компоненты обнаружена ошибка

В персональных компьютерах такой встроенный контроль не применяется, ввиду его дороговизны и непригодности для простого пользователя. Неискушенный пользователь не знает досконально устройства своего компьютера и сведения, полученные от микротестов, ему бесполезны. Специалисты же по обслуживанию РС имеют и необходимые знания, и специальные средства диагностики – программы общего и углубленного тестирования всех компонент РС, в том числе – и его CPU.

Тем не менее, CPU РС, имея микропрограммное управление, имеет и встроенные средства самодиагностики. Так, при каждом включении питания или перезагрузке операционной системы, или в режимах простоя, микропроцессор запоминает в стеке свое состояние и запускает специальную микропрограмму самоконтроля, бегло проверяющую исправность функциональных узлов самого микропроцессора..

Контроль регистров общего назначения (РОН) CPU выполняет также и POST-программа, запускающаяся при каждом включении компьютера или при перезагрузке операционной системы.

При техническом обслуживании используются другие программные средства контроля и диагностики , – внешние (загружаемые) тест-программы , например, CheckIt, NDiags, PC-doctor, Sandra
и т. д., тестирующие в числе прочих и сам микропроцессор. Так, NDiags выполняет программы общего тестирования микропроцессора, тесты его регистров, арифметических операций, переключения CPU в защищенный режим и т. д. Для запуска этого теста достаточно выбрать в меню тест-программы NortonDiagnostics пункт СИСТЕМА\СИСТЕМНАЯ ПЛАТА.

Для запуска тестов CPU и FPU в программе PC-doctor, нужно выбрать в меню программы пункт CPU/Coprocessor и затем нужные тесты из набора: CPURegisters, CPUArithmetic’s, CPULogicalOperations, CPUStringOperations, CPUInterrupt/Executions, CPUBuffer/Cache, CPUCRT/CyrixSpecific, CoProcRegisters, CoProcCommands, CoProcArithmetic’s, CoProcTranscendental, CoProcExceptions, CoProcCyrix/IIT.

2.4.2.4) Внешние программы общего тестирования.

Из многих внешних, загружаемых программ общего тестирования и диагностики РС под DOS наиболее популярны программы CheckIt и Norton Diagnostic. Обе программы, по своим тестирующим возможностям, примерно одинаковы, и какую из них использовать решает сам пользователь. Здесь коротко рассматриваются возможности, предоставляемые каждой из этих тест-программ.

Программа CheckIt.

Программа CheckIt позволяет получить сведения о конфигурации, используемых системных ресурсах и протестировать многие аппаратные средства, составляющие АПС.

Главное меню программы состоит из пунктов:

1.SysInfo – информация о системе. Позволяет получить сведения о системных аппаратных средствах и программном обеспечении тестируемого РС в подпунктах:

1) Configuration – инсталлированная версия DOS, используемая версию BIOS, список аппаратных средств и установленного периферийного оборудования;

2) Memory Map – карта распределения памяти, включая базовую и зарезервированную (от 640 Кбайт до 1 Мбайт), с возможностью подробного просмотра отдельных областей:

I (Interrupt) – занятых векторами прерываний;

P (Programs) – программами (DOS, TSR, драйверами, самой CheckIt);

A (Available) – доступные, незанятые области;

В (BIOS) – область расширенной памяти с участками, занятыми копиями ROM BIOS и видеопамятью;

E (Enhanced) – страничный блок, используемый спецификацией EMS;

3) Interrupts– устройства и программы, использующие аппаратные и программные прерывания, а также стандартные назначения каналов DMA;

4) CMOS Table – текущие параметры аппаратной конфигурации, записанные в CMOS-памяти;

5) Device Drivers – список блоков DOS и драйверов, инсталлированных в РС, с указанием адреса сегмента, в котором этот блок размещен;

2.Tests – позволяет выбрать из предложенного списка устройство или подсистему, подлежащие проверке в подпунктах:

1) Memory – диагностика DRAM, в том числе базовой, расширенной и дополнительной. Объемы каждого из разделов памяти должны быть заданы специально.

Перед началом тестирования можно выбрать режим только быстрого тестирования (Quick Memory Test Only), или более полного тестирования. В последнем случае, тестирование выполняется не только по записи-чтению псевдослучайных чисел в ячейки памяти, но и пробегом нуля и единицы влево и вправо и другими тест-кодами, способными обнаружить ошибки, вызванные чипами неправильного размера, оборванными выводами и другими адресными проблемами, когда один неправильный бит, может повлиять на другой, отдаленный байт. Еще один интересный параметр режима – число проходов теста (Number of Tests Passes), позволяет задавать до 1000 проходов теста, что бывает нужно при поиске плавающих ошибок в DRAM. Если при тестировании DRAM обнаружены ошибки, то можно выбрать в главном меню пункт Tools (инструментальные средства), который, после правильно проведенного диалога с программой, способен вывести на дисплей карту расположения всех чипов памяти на системной плате и отметить неисправные чипы.

2) Hard Disk – тест НЖМД, позволяет выбрать для тестирования любой из установленных HDD-накопителей, выводит сведения о геометрии тестируемого диска и общий объем тестируемого накопителя.

Поле тестов состоит из четырех основных тестов:

- диагностика контроллера , – проверяет исправность портов ввода-вывода контроллера дисковода;

- тестирование поверхностей диска методом линейного чтения, начиная с первого (нулевого) цилиндра и, последовательно, для всех остальных цилиндров;

- тест "бабочка" ( Butterfly ) , - проверяет сначала нулевой и последний цилиндры, а затем очередные за ними и так далее – к средним. Этот тест задает самый тяжелый режим работы позиционера головок, проверяя надежность его работы;

- тест случайного чтения, – наиболее близко имитирует нормальный режим работы дисковода, выбирая для чтения цилиндры в случайном порядке. Это позволяет оценить работоспособность дисковода при не вполне исправном позиционере.

3) Floppy Disk – тест позволяет выбрать и протестировать любой из четырех НГМД, могущих быть установленными в компьютере; позволяет протестировать сам дисковод и конкретную дискету, на предмет плохих дорожек. Тестирование НГМД производится методами случайного чтения и случайной записи. При тестировании методом случайной записи вся имеющаяся на дискете информация неизбежно теряется, впрочем, программа сама предупредит об этом.

4) System Board – тестируются CPU, FPU, контроллер DMA и контроллер прерываний.

5) Real-Time Clock (тест часов реального времени) – тестирует таймер реального времени, чтобы убедиться, что системные часы компьютера, верно отсчитывают время.

6) Serial Port (тест COM-портов) – тестирует каждый регистр контроллера последовательного порта, а если на разъем порта установлена специальная заглушка, то и – передатчики-приемники порта, на передаче-приеме данных с разными скоростями передачи.

7) Parallel Ports (тест LPT-портов) – тестирует внутренние регистры параллельного порта, а если на разъем порта установлена специальная внешняя заглушка, то проверяются также внешние сигналы и передаваемые строки данных.

8) Printers – тестирует принтер методом печати нескольких образцов печати, что поможет обнаружить неисправности в кабеле и проблемы с конфигурацией принтера. Чтобы скомпоновать этот тест для конкретной среды, следует выбрать режим смены конфигурации, набрав <С> (Change), и настроить тест, выбрав тип принтера и порта, после чего, получить распечатку.

9) Video – тестирует видеоподсистему в режимах Тест видеопамяти , Тест текстового режима , Тест графического режима , включая тесты цветовой палитры и чистоты цвета.

10) Input Devices (устройства ввода информации) может протестировать Keyboard (клавиатуру), Mouse (манипулятор "мышь") или манипулятор Joystick.

11) Select Batch позволяет управлять ресурсами для тестирования:

- можно задать тестирование компонент многократно , чтобы "поймать" плавающие ошибки;

- можно скомпоновать блок сокращенного теста, – только нужных компонент;

- выполнить тренировочный тест, для вновь вводимого оборудования.

Установочные параметры могут быть сохранены в файле конфигурации CheckIt; тогда, при следующем запуске тест-программы, эти параметры будут установлены автоматически.

3. Benchmarks (тесты производительности системы) позволяют:

- определить производительность CPU на операциях регистр-регистр, на операциях с плавающей точкой, сравнить рейтинг текущей машины с IBM PC/XT или другой моделью РС;

- получить значения скоростей передачи данных в видеоподсистеме как с использованием стандартных функций BIOS, так и при прямой передаче данных из ОЗУ в видеопамять через контроллер DMA;

- измерить, сколько времени тратится, в среднем, в данном РС на поиск данных на жестком диске, сколько – на позиционирование к следующему цилиндру и – какова скорость передачи данных в дисковой подсистеме, сравнить рейтинг текущей машины с РС/ХТ или другим РС.

4. SetUp (установки) – позволяет установить цветной или монохромный вывод на экран при работе CheckIt, вывести протокол активности на дисплей, принтер или сохранить на жестком диске.

Утилита NDiags из пакета Norton Utilities.

После запуска, тест-программа NDiags определяет и выводит на дисплей состав системы: характеристики входящих в систему дисков, оперативной памяти, других компонент и предлагает начать тестирование. Верхняя строка содержит меню режимов, позволяющее выбрать нужную модификацию тестовых режимов. Активизируется меню клавишей F10. По умолчанию, программа начинает тестирование всех компонент ВС: тест системной платы, СОМ-портов, LPT-портов, текущую аппаратную конфигурацию в CMOS-памяти, используемые прерывания, тест оперативной памяти, жестких дисков, НГМД, видеоподсистемы, аудио-подсистемы, клавиатуры.

В некоторых тестах, NDiags более полно тестирует компоненты компьютера, чем CheckIt, а в остальном, обе эти программы похожи. Поскольку NDiags имеет подробные описания выполнения каждого теста, приводить их состав, режимы и параметры здесь, не имеет смысла.

На этом, в общем-то, может и заканчиваться диагностика неисправностей РС на пользовательском уровне . Углубленный контроль и диагностика могут проводиться самим пользователем, с достаточной квалификацией (знанием архитектуры, структуры, исполнения системной платы, DRAM, подсистем РС и ПУ), или же специальным персоналом для технического обслуживания и ремонта СВТ.

Контрольные вопросы.

1. Что позволяет выяснить пункт Sysinfo меню программы CheckIt?

2. Какое оборудование РС может быть протестировано программой CheckIt?

3. Для чего предназначен пункт Benchmarks меню программы CheckIt?

4. Что можно определить с помощью пункта Tools меню программы CheckIt?

5. Какие возможности предоставляет пользователю пункт SetUp меню программы CheckIt?

6. Какие возможности тестирования компонент PC предоставляет пользователю программа NDiags?

Программа углубленного тестирования PC - doctor .

Пакет проверочных и диагностических программ PC-doctor, фирмы WatergateSoftwareInc., является, пожалуй, самой мощной, и развитой из всех программ углубленного профессионального тестирования компонент РС под управлением ОС MS DOS. Эта тест-программа содержит более 200 диагностических тестов, системно-информационных функций и утилит. Обнаруживает конфликты IRQ, определяет доступные и занятые линии IRQ, каналы ПДП и адреса портов ввода-вывода, способна диагностировать сети и диски архитектуры IDE и SCSI. Тест MaximumSystemLoad из пакета PC-doctor осуществляет тренировку АПС. PC-doctor предлагает контекстно-зависимую экранную помощь, оперативное руководство и защиту от вирусов. Пакет программ PC-doctor требует минимальных аппаратных средств: достаточно CPU 386, объема памяти в 4 МБ, жесткого диска на 40 МБ.

Программа поддерживает:

- минимальные средства модернизации РС;

- бесплатное антивирусное сканирование памяти РС;

- полный диалоговый режим пользовательского интерфейса;

- сетевые и SCSI- средства связи

и многое другое.

Вход в программу PC-doctor производится запуском файла pcdr.exe, после чего выполняется минимальное внешнее антивирусное самосканирование этой программы и открывается главное меню, состоящее из пунктов:

Diagnostics