Учебное пособие: Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального колледжа

Вопросы для самоконтроля:

1. Определение периферийного устройства;

2. Оперативные устройства ввода;

3. Автоматические устройства ввода;

4. Модем;

5. Устройства вывода

Тема 1.2 Организация системы ввода- вывода информации

Студент должен:

иметь представление:

· об организации систем ввода- вывода информации

знать:

· понятие интерфейса;

· классификацию интерфейсов;

· архитектуру шин.

уметь:

· организовать систему ввода выводы информации

Организация систем ввода- вывода информации. Понятие интерфейса. Унифицированные интерфейсы. Классификация интерфейсов. Архитектура шины и ее основные характеристики.

Методические указания

Шиной ( Bus ) называется вся совокупность линий (проводни­ков на материнской плате), по которым обмениваются информа­цией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для об­мена информацией между двумя и более устройствами. Шина, свя­зывающая только два устройства, называется портом.

Шина имеет места для подключения внешних устройств — сло­ ты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Рисунок 4 - Структура шины

Шины в ПК различаются по своему функциональному назна­ чению:

· системная шина (или шина CPU ) используется микросхема­ми Cipset для пересылки информации к CPU и обратно;

· шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью;

· шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU ;

· шины ввода/вывода информации подразделяются на стандарт­ ные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода — это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстро­действующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU .

Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых зву­ковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины ис­пользовалась шина стандарта ISA . В настоящее время — шина USB .

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реали­ зовать важнейшие ее свойства — возможность параллельного под­ ключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

· линии для обмена данными (шина данных);

· линии для адресации данных (шина адреса);

· линии управления данными (шина управления);

· контроллер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессом об­ мена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем — Chipset .

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее.

Пропускная способность шины определяется коли­ чеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умно­ жить тактовую частоту шины на ее разрядность.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством ин­ терфейса ( Interface — сопряжение), представляющего собой сово­ купность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информаци­ ей между ним и центральным процессором.

Стандарты шин ПК

Принцип IBM -совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т. е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточ­ных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы последова­ тельной и параллельной передачи данных. Эти интерфейсы необхо­ димы для работы наиболее важных периферийных устройств вво­да и вывода.

Системная шина предназначена для обмена информаци­ ей между CPU , памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:

· GTL , имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;

· EV 6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 1 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, одна­ ко и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной Шиной PCI . Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA . Вначале планируется исключить ISA -разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключать дисководы, мыши, клавиа­ туры, сканеры к шине USB , а винчестеры, приводы CD - ROM , DVD - ROM — к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного пар­ка ПК с шиной ISA и соответствующих комплектующих позволя­ ет предполагать, что 16-разрядная шина ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.

Таблица1 - Характеристики шин ввода/вывода

Шина EIS A стала дальнейшим развитием шины ISA в направ­лении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, ус­ тупающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA .

Шина VESA , или VLB , предназначена для связи CPU с быст­ рыми периферийными устройствами и представляет собой рас­ ширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преоб­ ладания на компьютерном рынке процессора CPU 80486 шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI .

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершенно новую шину. Основопо­лагающим принципом, положенным в основу шины PCI , является применение так называемых мостов ( Bridges ), которые осуще­ ствляют связь между шиной PCI и другими типами шин.

Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода/выво­ да, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (З D -акселератор) с системной памятью

Шина SCSI ( Small Computer System Interface ) обеспечивает ско­ рость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает под­ключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD - ROM , сканеры, фото- и видеокамеры. Отличитель­ной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC ( ISA или PCI ) шина SCSI связана через хост-адаптер ( Host Adapter ). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер ( ID ). Любое устройство, подключенное к шине SCSI , может ини­ циировать обмен с другим устройством.

Шина IEEE 1394 — это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments . Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработ­ ки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/с, работать одновременно с несколькими устройства­ ми, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI . Как и USB , шина IEEE 1394 полностью поддерживает техноло­ гию Plug & Play , включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК.

Последовательный и параллельный порты

Такие устройства ввода и вывода, как клавиатура, мышь, мо­ нитор и принтер, входят в стандартную комплектацию ПК. Все периферийные устройства ввода должны коммутироваться с ПК таким образом, чтобы данные, вводимые пользователем, могли не только корректно поступать в компьютер, но и в дальнейшем эффективно обрабатываться. Для обмена данными и связи между периферией (устройствами ввода/вывода) и модулем обработки данных (материнской платой) может быть организована парал­лельная или последовательная передача данных.

Параллельная связь означает, что все 8 бит (или 1 байт) пересылаются и передаются не один за другим, а одновременно (параллельно) или, точнее, каждый по своему проводу. Принцип параллельной передачи данных становится очевидным, если рас­смотреть кабель, подсоединенный к разъему параллельного ин­ терфейса, например кабель принтера. Он значительно толще, чем последовательный кабель мыши, поскольку кабель для параллель­ной передачи данных должен как минимум содержать восемь про­ водов, каждый из которых предназначен для передачи одного бита.

Параллельный интерфейс для принтера обычно обозначают LPT ( Line Printer ). Первый подключенный принтер обозначается как от LPT 1, а второй — как от LPT2.

Существуют несколько типов параллельных портов- стандарт­ ный, ЕРР и ЕСР.

Стандартный параллельный порт предназначен только для од­ носторонней передачи информации от ПК к принтеру, что зало­ жено в электрической схеме порта. Он обеспечивает максималь­ную скорость передачи данных от 120 до 200 Кбайт/с.

Порт ЕРР является двунаправленным, т.е. обеспечивает парал­ лельную передачу 8 бит данных в обоих направлениях и полнос­ тью совместим со стандартным портом. Порт ЕРР передает и при­ нимает данные почти в шесть раз быстрее стандартного парал­ лельного порта, чему способствует то, что порт ЕРР имеет бу­фер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до момента, когда принтер будет готов их принять. Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосред­ственно из RAM PC в принтер и обратно, минуя процессор. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мбит/с.

Порт ЕСР, обладая всеми возможностями порта ЕРР, обеспе­чивает повышенную скорость передачи данных за счет функции сжатия данных. Для сжатия данных используется метод RLE ( Run Length Encoding ), согласно которому длинная последовательность одинаковых символов передается всего лишь двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, а второй — число по­вторений. При этом стандарт ЕСР допускает сжатие и распаковку данных как программно (путем применения драйвера), так и аппаратно (схемой порта). Данная функция не является обязатель­ной, поэтому порты, периферийные устройства и программы могут ее и не поддерживать. Она может быть реализована, когда режим сжатия данных поддерживается как портом ЕСР, так и принте­ром. Увеличение скорости передачи данных с помощью порта ЕСР существенно уменьшает время распечатки данных на принтере.

Использование преимуществ функциональных возможностей портов ЕСР и ЕРР возможно при наличии компьютера, оборудо­ванного одним из этих стандартов.

Последовательная связь осуществляется побитно: от­ дельные биты пересылаются (или принимаются) последователь­ но один за другим по одному проводу, при этом возможен обмен данными в двух направлениях, прием и передача данных осуще­ ствляются с одинаковой тактовой частотой. Для последователь­ных интерфейсов выбор подключаемых устройств значительно шире, поэтому большинство ПК обычно оборудовано двумя ин­ терфейсными разъемами для последовательной передачи данных. В качестве стандартного обозначения для последовательного интерфейса чаще всего используют RS -232, RS -422, RS -465. Разъемы последовательного интерфейса на ПК представляют собой 9-контактный (вилка) Sub - D или 25-контактный (вилка) Sub - D .

Для установления связи между двумя последовательными ин­ терфейсами предварительно необходимо сконфигурировать их со­ ответствующим образом, т.е. указать, как будет осуществляться обмен данными: скорость обмена, формат данных, контроль чет­ ности и т. п. Аппаратное конфигурирование интерфейса путем со­ ответствующей установки джамперов или переключателей неудоб­ но, поскольку приходится вскрывать корпус ПК. Обычно конфи­ гурирование последовательного интерфейса осуществляется про­граммным способом, тем более что среда Windows предоставляет такую возможность.

Вопросы для самоконтроля:

1. Структура и стандарты шин ПК;

2. Локальная шина ввода/вывода;

3. Стандартная шина ввода/вывода;

4. Контроллер шины;

5. Основные характеристики шины;

6. Стандарты шин ПК

Раздел 2. Аппаратная и программная поддержка работы периферийных устройств: контроллеры, адаптеры, мосты, прямой доступ к памяти, приостановки, прерывания, драйверы

Тема 2.1 Аппаратная поддержка работы периферийных устройств

Студент должен:

иметь представление:

· об аппаратной поддержке работы периферийных устройств

знать:

· аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств;

· назначение и принцип работы контроллера;

· назначение и принцип работы адаптера;

· назначение и принцип работы моста.

уметь:

· организовывать работу периферийных устройств на аппаратном уровне

Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: контроллеры, адаптеры, мосты.

Методические указания

Аппара́тное обеспе́че́ние (англ. hardware) включает в себя все физические части компьютера, но не включает информацию (данные), которые он хранит и обрабатывает, и программное обеспечение, которое им управляет.

Типичный компьютер

Подавляющее большинство компьютеров — скрыты, «внедрены» в другие устройства, например, в автомобили, микроволновки, электрокардиографы, проигрыватели компакт-дисков, сотовые телефоны. Лишь самая малая часть компьютеров (около 0.2% всех компьютеров, произведённых в 2003 году) — это настольные и мобильные персональные компьютеры.

Персональный компьютер

Типичный персональный компьютер состоит из корпуса и следующих частей:

1. Материнская плата, на которой установлен центральный процессор, оперативная память и другие части, а также слоты расширения

2. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и кеш

3. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

4. Шины — PCI, PCI-E, ISA (устарела), USB, AGP

5. Блок питания

6. Контроллеры устройств хранения — IDE, SCSI или других типов, находящиеся непосредственно на материнской плате (встроенные) либо на платах расширения. К контроллерам подключены жёсткий диск (винчестер), привод гибких дисков, CD-ROM и другие устройства.

7. Накопители на сменных носителях

8. Приводы CD или DVD

9. привод гибких дисков

10. стриммер

11. Устройства хранения информации

12. Жёсткий диск (винчестер)

13. дисковый массив

14. Видео-контроллер (встроенный или в виде платы расширения —передающий сигнал на монитор

15. Звуковой контроллер

16. Сетевой интерфейс

Кроме того, в аппаратное обеспечение также входят внешние компоненты — периферийные устройства:

1. Устройства ввода

2. Клавиатура

3. Мышь, трекбол или тачпад

4. Джойстик

5. Сканер

6. Устройства вывода

7. Монитор (дисплей)

8. Колонки/наушники

9. Печатающие устройства

10. Принтер

11. Плоттер (графопостроитель)

12. Модем — для связи по телефонной линии

Вопросы для самоконтроля:

1. Аппаратное обеспечение;

2. Типичный компьютер;

3. Персональный компьютер;

4. Устройства ввода.

Тема 2.2 Программная поддержка работы периферийных устройств

Студент должен:

иметь представление:

· о программной поддержке работы периферийных устройств

знать:

· программные средства поддержки работы периферийных устройств ПК;

· назначение и принцип организации работы прямого доступа к памяти;

· назначение приостановок, прерываний;

· назначение и принцип организации работы драйвера периферийного устройства ПК;

· спецификацию P& P.

уметь:

· организовывать работу периферийных устройств на программном уровне;

· выбирать и использовать типовые периферийные устройства вычислительной техники;

· подключать стандартные периферийные устройства вычислительной техники;

· устанавливать программное обеспечение (драйверы) периферийных устройств

Программная поддержка работы периферийных устройств ПК. Прямой доступ к памяти. Приостановки. Прерывания. Драйверы периферийного устройства ПК. Спецификация P& P.

Методические указания

Прерывание (англ. interrupt) — сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление передаётся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код.

Виды прерываний:

Аппаратные (англ. IRQ - Interrupt Request) — события от периферийных устройств (например, нажатия клавиш клавиатуры, движение мыши, сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя) — внешние прерывания, или события в микропроцессоре — (например, деление на ноль) — внутренние прерывания;

Программные — инициируются выполняемой программой, т.е. уже синхронно, а не асинхронно. Программные прерывания могут служить для вызова сервисов операционной системы.

Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим.

До окончания обработки прерывания обычно устанавливается запрет на обработку или даже генерацию других прерываний. Некоторые процессоры поддерживают иерархию прерываний, позволяющую прерываниям более высокого приоритета вызываться при обработке менее важных прерываний.

Вектор прерывания — ячейка памяти, содержащая адрес обработчика прерывания.

Перехват прерывания — изменение обработчика прерывания на свой собственный.

Вектора прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы микропроцессора.

Обработчик прерываний (или процедура обслуживания прерываний) — процедура операционной системы или драйвера устройства, вызываемая по прерыванию для выполнения его обработки. Обработчики прерываний могут выполнять множество функций, которые зависят от причины, которая вызвала прерывание и времени выполнения, которые требуются на это обработчику.

Обработчик прерываний—это низкоуровневый эквивалент обработчика событий. Эти обработчики вызываются либо по аппаратному прерыванию, либо соответствующей инструкцией в программе. И соответственно служат для обслуживания устройств или для осуществления вызова функций операционной системы (как способ передачи управления между различными уровнями защиты).

В современных системах обработчики прерываний делятся на Высокоприоритетные Обработчики Прерываний (ВОП) и Низкоприоритетные Обработчики Прерываний (НОП).

К выполнению ВОП обычно предъявляются жесткие требования: малое время на выполнение, малое количество операций, разрешенных к выполнению, особая надежность, так как ошибки, допущенные во время выполнения, могут обрушить операционную систему, которая не может корректно их обработать. Поэтому ВОП обычно выполняют минимально необходимую работу: быстро обслуживают прерывание, собирают критичную информацию, которая доступна только в это время, и планируют выполнение НОП для дальнейшей обработки.

ВОП, которые обслуживают аппаратные устройства, обычно маскируют свое прерывание для того, чтобы предотвратить вложенные вызовы, которые могут вызвать переполнение стека.

НОП завершает обработку прерывания. НОП либо имеет собственный поток для обработки, либо заимствует на время обработки поток из системного пула. Эти потоки планируются наравне с другими, что позволяет добиться более гладкого выполнения процессов. НОП выполняется с гораздо менее жесткими ограничениями по времени и ресурсам, что облегчает программирование и использование драйверов.

В разных системах ВОП и НОП именуются по-разному. В операционной системе Windows ВОП называется обработчиком прерывания, а НОП—отложенный вызов процедуры (DPC, Defered Procedure Call)

DMA

Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными, без участия Центрального Процессора. За счёт чего скорость передачи увеличивается, т.к. данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Plug and Play (сокр. PnP), дословно переводится как «включил и играй» — технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере. Разработана фирмой Microsoft при содействии других компаний.

Основные знания о PnP:

PNP BIOS — расширения BIOS для работы с PnP устройствами.

Plug and Play Device ID — индификатор PnP устройства имеет вид PNPXXXX, где XXXX — специальный код.

Вопросы для самоконтроля:

1. Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: контроллеры;

2. Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: адаптеры;

3. Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: мосты.

Раздел 3. Современные и перспективные интерфейсы и шины ввода – вывода

Тема 3.1 Интерфейсные подключения периферийных устройств ПК

Студент должен:

иметь представление:

· о современных и перспективных интерфейсах и шинах ввода – вывода

знать:

· интерфейсные подключения периферийных устройств вычислительной техники;

· функции интерфейсов;

· типы интерфейсов;

· структуру разъемов шин;

· основные характеристики интерфейсов подключения периферийных устройств.

уметь:

· подключать периферийные устройства к ПК

Интерфейсные подключения периферийных устройств ПК. Функции интерфейсов. Типы интерфейсов. Структура разъемов шин. Основные характеристики интерфейсов подключения периферийных устройств.

Методические указания

Интерфейс — коммуникационное устройство (или протокол обмена), позволяющее одному устройству взаимодействовать с другим и устанавливать соответствие между выходами одного уст­ройства и входами другого. Основная функция интерфейса HDD — передача данных из вычислителя ПК в накопитель и обратно. Раз­работано несколько основных типов интерфейсов: ESDI, IDE, SCSI. Распространенный в конце 1980-х гг. интерфейс ESDI не отвечает требованиям современных систем по быстродействию, кроме того, его различные исполнения часто бывают несовмести­мы. В связи с этим ему на смену пришли интерфейсы: IDE (1989 г.), обладающий повышенным быстродействием, и SCSI (1986 г.), имеющий большие возможности для расширения системы за счет подключения разнообразных устройств, а также E- IDE — расши­ренный IDE.

IDE и SCSI — интерфейсы, в которых контроллер выполнен в виде микросхемы, установленной на плате накопителя. В интер­фейсе SCSI между контроллером и системной Шиной введен еще один уровень организации данных и управления, а интерфейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно.

Основными характеристиками накопителей на жестких дисках, которые следует принимать во внимание при выборе устройства, являются емкость, быстродействие и время безотказной работы.

Емкость винчестера определяется максимальным объемом дан­ных, которые можно записать на носитель. Реальная величина емкости винчестера достигает сотни гигабайт. Прогресс в области создания и производства накопителей на жестких дисках приво­дит к тому, что ежегодно плотность записи (и соответственно емкость) увеличивается примерно на 60%.

Среднее время доступа к различным объекта м на HDD опреде­ляет фактическую производительность накопителя. Время, необ­ходимое винчестеру для поиска любой информации на диске, измеряется миллисекундами. Среднее время доступа винчестеров составляет 7 —9 мс.

Размер кэш-памяти (быстрой буферной памяти) винчестеров колеблется в диапазоне от 512 Кбайт до 2 Мбайт.

Скорость передачи данных ( Maximum Data Transfer Rate — MDTR ) зависит от таких характеристик винчестера, как число байт в сек­ торе, число секторов на дорожке, скорость вращения дисков.

Время безотказной работы для накопителей определяется рас­четным среднестатистическим временем между отказами ( Mean Time Between Failures — MTBF ), характеризующим надежность устройства, указывается в документации и обычно составляет 20 000 — 500 000 ч. Подобно дискетам, жесткий диск делится на дорожки и секто­рыю. Каждая дорожка однозначно опреде­ляется номером головки и порядковым номером, отсчитываемым на диске относительно внешнего края. Накопитель содержит не­сколько дисков, расположенных один над другим; их" разбиения идентичны. Поэтому принято рассматривать пакет жестких дисков в виде цилиндров, каждый из которых состоит из аналогичных дорожек на поверхностях каждого диска. Секторы идентифициру­ются своим порядковым номером относительно начала дорожки. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а голо­вок и цилиндров — с нуля.

Вопросы для самоконтроля:

1. Интерфейс: назначение;

2. IDE и SCSI — интерфейсы;

3. Основные характеристики накопителей на жестких дисках

Тема 3.2 Внутренние интерфейсы

Студент должен:

иметь представление:

· об интерфейсных подключениях периферийных устройств ПК

знать:

· назначение и технические характеристики интерфейсов: ISA, EISA, PCI, AGP;

· структуру разъемов шин ISA, EISA, PCI, AGP

уметь:

· определять тип разъема для подключения периферийного устройства вычислительной техники;

Внутренние интерфейсы ISA, EISA, PCI, AGP. Назначение и технические характеристики. Структура разъемов шин. Подключение карт расширения.

Методические указания

PCI (англ. Peripheral component interconnect , дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) — системная шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

· физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);

· электрические параметры (например, напряжения);

· логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине);

· Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

Конфигурирование

PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы (plug and play). После старта компьютера, системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине и распределяет ресурсы. Каждое устройство может затребовать до семи диапазонов в адресном прострастве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI. Кроме того, устройства могут иметь ПЗУ, содержащее исполняемый код для процессоров x86 или PA-RISC, Open Firmware (системное ПО компьютеров на базе SPARC) или драйвер EFI. Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличии от шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте). Запрос на прерывание на шине PCI передаётся с помощью изменения уровня сигнала на одной из линий IRQ, поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.

Спецификация шины PCI

· частота шины — 33,33 МГц или 66,66 МГц, передача синхронная;

· разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

· пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц — 133 Мб в секунду;

· адресное пространство памяти — 32 бита (4 Гибибайта);

· адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 Гибибайта);

· конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт;

· напряжение 3,3 или 5 вольт.

ISA (от англ. Industry Standard Architecture , ISA bus ) — 8-ми или 16-ти разрядная системная шина IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате.

С появлением материнских плат формата ATX — шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах, хотя встречаются ATX-платы и AGP 4x, 6 PCI и одним(или двумя) портами ISA. Но пока её ещё можно встретить в старых AT-компьютерах, а также в промышленных компьютерах.

Для встроенных систем существует вариант компоновки шины ISA, отличающийся применяемыми разъёмами — шина PC/104.

EISA (англ. Extended Industry Standard Architecture ) — шина для IBM-совместимых компьютеров. Была анонсирована в конце 1988 группой производителей IBM-совместимых компьютеров в ответ на введение фирмой IBM закрытой шины MCA в компьютерах серии PS/2.

Со временем возникла потребность в шине с более высокой пропускной способностью, и шина EISA была вытеснена более совершенными, но уже локальными шинами VESA Local Bus и PCI.

Таблица 2- Характеристики шины EISA

VESA local bus — VL-Bus или VLB — тип локальной шины, разработанный ассоциацией VESA для ПК с процессором фирмы Intel. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП Intel 80486 для связи с видеоадаптером и реже с контроллером HDD. Реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с (теоретически достижимая - 132 Мбайт/с).

AGP (от англ. Accelerated Graphics Port , ускоренный графический порт) — разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Появилась одновременно с чипсетами для процессора Intel Pentium II. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти. По замыслу Intel большие объёмы видеопамяти для AGP-карт были бы не нужны, поскольку технология предусматривала высокоскоростной доступ к общей памяти.

· Её отличия от предшественницы, шины PCI:

· работа на тактовой частоте 66 МГц;

· увеличенная пропускная способность;

· режим работы с памятью DMA и DME ;

· разделение запросов на операцию и передачу данных;

В настоящее время, шина практически исчерпала свои возможности и, может быть, в скором времени её полностью заменит шина PCI Express.

PCI Express

Слоты PCI Express x4, x16, x1, опять x16, внизу стандартный 32-разрядный слот PCI, на материнской плате DFI LanParty nForce4 SLI-DR

PCI Express или PCIe или PCI-E , (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X или PXI) — компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

· горячая замена карт;

· гарантированная полоса пропускания (QoS);

· управление энергопотреблением;

· контроль целостности передаваемых данных.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так, как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

Графическая карта для PCI Express

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane ; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link , и состоит из одного (называемого 1x ) или нескольких (2x , 4x , 8x , 12x , 16x и 32x ) двунаправленных последовательных соединений lane . Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x .

Hyper-Transport

Шина HyperTransport (HT) , ранее известная как Lightning Data Transport (LDT) , — это двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина, с высокой пропускной способностью и малыми задержками. Для разработки и продвижения данной шины был образован консорциум HyperTransport Technology. Технология используется компаниями AMD и Transmeta в x86 процессорах, PMC-Sierra, Broadcom и Raza Microelectronics в MIPS микропроцессорах, NVIDIA, VIA, SiS, ULi/ALi, AMD, Apple Computer и HP в наборах системной логики для ПК, HP, Sun Microsystems, IBM, и IWill в серверах, Cray, Newisys и PathScale в сверхкомпьютерах, а так же компанией Cisco Systems в маршрутизаторах.

Обзор шины

HyperTransport работает на частотах от 200 МГц до 2,6 ГГц (сравните с шиной PCI и её 33 или 66 МГц). Кроме того, она использует DDR, что означает, что данные посылаются как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации, что позволяет осуществлять до 5200 миллионов посылок в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота сигнала синхронизации настраивается автоматически.

HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, от 2-х битных линий до 32-х битных линий. Полноразмерная, полноскоростная, 32-х битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 20800 МБ/с (2*(32/8)*2600), являясь, таким образом, самой быстрой шиной среди себе подобных. Шина может быть использована как в подсистемах с высокими требованиями к пропускной способности (оперативная память и ЦПУ), так и в подсистемах с низкими требованиями (переферийные устройства). Данная технология также способна обеспечить низкие задержки для других применений в других подсистемах.

Шина HyperTransport поддерживает технологии энергосбережения, а именно ACPI. Это значит, что при изменении состояния процессора (C-state) на энергосберегающее, изменяется также и состояние устройств (D-state). Например, при отключении процессора НЖМД также отключаются.

Электрический интерфейс HyperTransport/LDT — низковольтные дифференциальные сигналы (Low Voltage Differential Signaling (LVDS)), с напряжением 2,5 В.

Применение HyperTransport

Шина HyperTransport нашла широкое применение, в основном, в качестве замены шины процессора. Для примера, к процессору Pentium нельзя напрямую подключать устройства с шиной PCI, так как этот процессор использует свою специализированную шину (которая может быть различной у разных поколений процессоров). Для подключения дополнительных устройств (например с шиной PCI) в таких системах необходимы дополнительные устройства для сопряжения шины процессора с шиной периферийных устройств (мосты). Данные адаптеры обычно включают в специализированные наборы системной логики, называемые северный мост и южный мост.

Процессоры разных производителей могут использовать разные шины, а значит для них нужны разные мосты для соединения шины процессора с периферийными шинами. Компьютеры, использующие шину HyperTransport более универсальны и просты, а также более производительны. Однажды разработанный мост PCI-HyperTransport позволяет взаимодействовать любому процессору, поддерживающиму шину HyperTransport и любому устройству шины PCI. Для примера, NVIDIA nForce чипсет использует шину HyperTransport для соединения между северным и южным мостами.

RapidIO — это высокопроизводительная пакетная шина для соединения микросхем в рамках одной печатной платы, а также для соединения между собой нескольких печатных плат. Данная шина была разработана для применения во встраиваемых системах.

Основными конкурентами шины RapidIO являются шины HyperTransport, Infiniband и PCI Express, которые, однако, предназначены для решения других задач.

Шина RapidIO разработана компаниями Mercury Computer Systems и Motorola (ныне Freescale), как развитие шины, применявшейся в многопроцессорных системах цифровой обработки сигналов компании Mercury.

Стандарт на шину RapidIO разработан организацией RapidIO Trade Association. На настоящий момент последней является версия 1.3 стандарта.

Стандарт RapidIO определяет физический (соответствует физическому и канальному уровню модели OSI), транспортный (соответствует сетевому уровню модели OSI) и логический (соответствует транспортному уровню модели OSI) уровни.

Fibre Channel — высокоскоростной интерфейс передачи данных, используемый для соединения вместе рабочих станций, мейнфреймов, суперкомпьютеров и устройств хранения данных.

Порты устройств могут быть подключены напрямую друг к другу (point-to-point), быть включены в управляемую петлю (arbitrated loop) или в коммутируемую сеть, называемую фабрикой (fabric).

Поддерживается как оптическая, так и электрическая среда, со скоростью передачи данных от 133 мегабит/с до 8 гигабит/с на расстояния до 10 километров.

В большинстве случаев используется как несущий для SCSI-3. (Может использоваться как несущий и для других протоколов — например, ATM, IP, HIPPI и других.

VMEbus (или VME ) — стандарт на компьютерную шину, первоначально разработанный для семейства микропроцессоров Motorola 68000, и в дальнейшем нашедший применение для множества других приложений. Шина VME была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014-1987. VME базируется на оснастке Eurocard, но использует собственную систему сигналов, не принятую в Eurocard. Впервые разработанная в 1981, шина VME находит широкое применение вплоть до сегодняшнего дня.

Характеристики шины

Разрядность шины — 32/64

Адрес/Данные — раздельные (VME32), мульиплексируемые (VME64)

Тип шины — Асинхроная

Конструктив — Eurocard 3U, 6U, 9U

Максимальное количество модулей в крейте — 21 штука

Пропускная способность в 32 разрядном варианте — 40 Мбайт/с (VME32), 80 Мбайт/с (VME64)

В режиме блочных передач (когда на 1-у передачу адреса идёт несколько передачь данных) скорость может достигать 320 Мбайт/с (VME64).

Описание шины

Во многом шина VMEbus представляет собой внешние интерфейсы процессора 68000, доработанные для соединения нескольких печатных плат. Во многих отношениях, это является недостатком, так как принуждает создавать системы подобные тем, для которых шина применялась изначально. Однако, одной из ключевых особенностей процессора 68000 была плоская, 32-битная модель памяти и свободное деление памяти на сегменты, так, что похожесть VME на шину процессора 68000, для большинства применений не имеет значения.

Логически все устройства шины VME делятся на три типа:

1. ведущий;

2. ведомый;

3. арбитр.

Ведущий — инициирует циклы на шине. Ведомый — осуществляет операции по команде ведущего. Арбитр — осуществляет контроль за занятостью шины.

Вопросы для самоконтроля:

1. Стандарт шины PCI;

2. ISA;

3. EISA;

4. VESA local bus;

5. AGP;

6. PCI Express;

7. Hyper-Transport;

8. RapidIO;

9. VMEbus

Тема 3.3 Интерфейсы периферийных устройств IDE/ ATA, SCSI

Студент должен:

иметь представление:

· о принципах организации работы интерфейсов периферийных устройств

знать:

· назначение и технические характеристики интерфейсов: IDE/ ATA, SCSI;

· структуру разъемов шин: IDE/ ATA, SCSI

уметь:

· подключать периферийные устройства к интерфейсам IDE/ ATA, SCSI;

Интерфейсы периферийных устройств: IDE/ ATA, SCSI. Назначение и технические характеристики. Структура разъемов шин.

Методические указания

Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами.

В вычислительной системе взаимодействие может осуществляться на пользовательском, программном и аппаратном уровнях. В соответствии с этой классификацией можно выделить:

Интерфейс пользователя — это совокупность средств, при помощи которых пользователь общается с различными устройствами

Интерфейс командной строки: инструкции компьютеру даются путём ввода с клавиатуры текстовых строк (команд).

Графический интерфейс пользователя: программные функции представляются графическими элементами экрана.

Диалоговый интерфейс

Естественно-языковой интерфейс: пользователь «разговаривает» с программой на родном ему языке.

Физический интерфейс — способ взаимодействия физических устройств. Чаще всего речь идёт о компьютерных портах.

Сетевой интерфейс

Шлюз (телекоммуникации)

Шина (компьютер)

Интерфейсы в программировании:

Интерфейс функции

Интерфейс программирования приложений (API): набор стандартных библиотечных методов, который программист может использовать для доступа к функциональности другой программы.

ATA (англ. Advanced Technology Attachment) — интерфейс подключения накопителей (например, жёстких дисков или оптических приводов) был разработан в 1989 году. Широко применяется на платформе IBM PC. Использование интерфейса ATA подразумевается при упоминании аббревиатур IDE , UDMA и ATAPI .

Хотя официально данный стандарт всегда назывался «ATA», по маркетинговым соображениям он довольно рано получил название IDE (Integrated Drive Electronics , т. е. «Электроника, встроенная в привод»), каковое название призвано было подчеркнуть, что контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсов SCSI и ST412. Это нововведение позволило удешевить производство новых накопителей.

В стандарт АТА определен интерфейс между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном — использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты большой ёмкости, такие, как ZIP и магнитооптические диски (LS-120/240). Этот расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), в связи с чем полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI .

Первоначальные расширения ATA для работы с приводами CD-ROM не обладали полной совместимостью, являлись фирменными. В результате, для подключения CD-ROM было необходимо устанавливать отдельную плату расширения, специфичную для конкретного производителя, например для Panasonic (существовало не менее 5 специфичных варианта ATA, предназначенных для подключения CD-ROM). Некоторые варианты звуковых карт, например Sound Blaster, оснащались именно такими портами.

Другим важным этапом в развитии ATA стал переход от PIO (Programmed input/output , Программный ввод/вывод) к DMA (Direct memory access , Прямой доступ к памяти). При использовании PIO считыванием данных с диска управлял центральный процессор компьютера (CPU), что приводило к повышенной нагрузке на процессор и замедлению работы в целом. По причине этого компьютеры, использующие интерфейс ATA, обычно выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, использующие SCSI и другие интерфейсы. Введение DMA существенно снизило затраты процессорного времени на операции с диском. В данной технологии потоком данных управляет сам накопитель, считывая даные в память или из памяти почти без участия CPU, который выдает лишь команды на выполнение того или иного действия. При этом жесткий диск выдает сигнал запроса DMARQ на операцию DMA контроллеру. Если операция DMA возможна, контроллер выдает сигнал DMACK и жесткий диск начинает выдавать данные в 1-й регистр (DATA), с которого контроллер считывает данные в память без участия процессора. Операция DMA возможна, если режим поддерживается одновременно BIOS, контроллером и операционной системой, в противном случае возможен лишь режим PIO.

В дальнейшем развитии стандарта (АТА-3) был введен дополнительный режим UltraDMA 2 (UDMA 33 ). Этот режим имеет временные характеристики DMA Mode 2, однако данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигнала DIOR/DIOW. Это вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на четность CRC, что повышает надежность передачи информации.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущий (англ. master), а другое ведомый (англ. slave). Обычно ведущий показывается первым среди дисков, перечисляемых BIOS’ом компьютера или операционной системы. В старых BIOS’ах (486 и раньше) диски часто неверно обозначались буквами: «C» для ведущего диска и «D» для ведомого.

Если на шлейфе только один привод, он в большинстве случаев должен быть сконфигурирован, как ведущий. Однако, некоторые диски (в частности, производства Western Digital) имеют специальную настройку, именуемую single (т. е. «один диск на кабеле»). Также, в зависимости от аппаратного и программного обеспечения, единственный привод на кабеле может работать, даже если он сконфигурирован, как ведомый (такое часто встречается при подключении CD-ROM’а на отдельный канал).

Термины master и slave, хотя и являются широко распространёнными, не используются в текущей версии стандарта ATA. Более правильно называть ведущий и ведомый диски соответственно device 0 (устройство 0) и device 1 (устройство 1). Существует распространённый миф, что ведущий диск руководит доступом дисков к каналу. На самом деле, управление доступом дисков и очерёдностью выполнения команд осуществляют драйверы операционной системы. Если устройство 1 выполняет команду, то, до окончания её выполнения, устройство 0 не может начать выполнение своей команды, и наоборот. Поэтому не имеет оснований предположение, что одно устройство спрашивает другое, можно ли ему использовать канал. Фактически оба они являются ведомыми по отношению к драйверу ОС.

SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими дисками). SATA является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA). SATA/150

Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной.

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера; улучшается охлаждение системы.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA так же разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снижает задержки при одновременной работе двух устройств на одном кабеле, уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA предусматривает горячую замену устройств и функцию очереди команд (NCQ).

SCSI (англ. Small Computer Systems Interface, произносится как скази) — интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стриммеры, сканеры, принтеры и т. д. Раньше имел неофициальное название Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта

После стандартизации в 1986 году, SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В компьютерах совместимых с IBM PC SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью.

В настоящее время SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (хотя в настоящее время на серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). Стандарты

Существует три стандарта SCSI (SE — англ. single- ended, LVD — англ. low- voltage- differential — интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, HVD — англ. high- voltage- differential — интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения), каждый из которых имеет множество дополнительных и необязательных возможностей. Некоторые комбинации возможностей имеют собственные наименования.

Контроллер SCSI может работать с любым устройством, на котором присутствует данный интерфейс (жесткий диск, сканер).

Основные реализации SCSI (в хронологическом порядке):

Таблица 3 - Обзор интерфейсов SCSI

Вопросы для самоконтроля:

1. Интерфейсы периферийных устройств: IDE/ ATA, SCSI.

2. Назначение и технические характеристики.

3. Структура разъемов шин.

Тема 3.4 Внешние интерфейсы

Студент должен:

иметь представление:

· об интерфейсных подключениях периферийных устройств ПК

знать:

· назначение и технические характеристики интерфейсов: RS-232, LPT, USB, FireWire;

· структуру разъемов шин: RS-232, LPT, USB, FireWire

уметь:

· подключать периферийные устройства к интерфейсам RS-232, LPT, USB, FireWire

Внутренние интерфейсы RS-232, LPT, USB, FireWire. Назначение и технические характеристики. Структура разъемов шин

Методические указания

USB (англ. Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина, предназначенная для периферийных устройств.

Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire.

USB-кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток силой не более 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию "звезда").

В отличие от многих других стандартных типов разъемов, для USB характерны долговечность и механическая прочность. История

Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom.

Летом 1996 года на рынке появились первые компьютеры с портами USB.

USB 1.1

Технические характеристики:

· высокая скорость обмена — 12 Мбит/с

· максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 3 м

· низкая скорость обмена — 1,5 Мбит/с

· максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 5 м

· максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127

· возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

· напряжение питания для периферийных устройств — 5 В

· максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мA

USB 2.0 отличается от USB 1.1 только большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (480Мбит/сек). Существуют три скорости работы устройств USB 2.0 :

Low-speed 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: Клавиатуры, мыши, джойстики)

Full-speed 0,5—12 Мбит/с (аудио/видео устройства)

Hi-speed 25—480 Мбит/с (видео устройства, устройства хранения информации)

На самом деле хотя и в теории скорость USB 2.0 может достигать 480Мбит/с, устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её. Это можно объяснить достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, другая шина FireWire хотя и обеспечивает максимальную скорость в 400Мбит/с, что на 80Мбит/с меньше чем у USB, в реальности позволяет достичь бо́льших скоростей обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

USB OTG (аббр. от O n-T he-G o) — дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за резко возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования ПК. В данной спецификации устройства обходятся без персонального компьютера, т.е. выступают как одноранговые приемопередатчики(на самом деле это только создаётся такое ощущение. В действительности же устройства определяют кто из них будет мастер-устройством, а кто подчиняемым. А одноранговым интерфейс usb быть не может).

USB wireless

Новейшая технология USB (официальная спецификация стала доступна только в мае 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

CompactFlash — формат флэш-памяти, появился одним из первых. Формат разработан компанией SanDisk Corporation в 1994 году.

Спецификацию для данного формата составляет Ассоциация CompactFlash. По мере развития технологий данный формат развивался. Вначале был выпущен CompactFlash Type II (ёмкость до 320 Мбайт, скорость чтения до 1,5 Мбайт/с, записи — 3 Мбайт/с), затем CompactFlash 2.0 или CF+ (скорость чтения достигла 8 Мбайт/с, записи — 6,6 Мбайт/с) и в конце 2004 года появилась третья версия стандарта (поддерживает режимы UDMA33 и UDMA66, скорость передачи данных увеличена до 66 Мбайт/с).

В 2005 году максимальный объём накопителей с интерфейсом CompactFlash достиг 12 Гбайт.

Размеры карт CompactFlash составляют 42 мм на 36 мм, толщина составляет 3,3 мм, CompactFlash Type II — 5 мм. Карты CompactFlash Type I могут вставляться в слоты обоих типоразмеров, CompactFlash Type II — только в слот для CompactFlash Type II. CompactFlash обоих типоразмеров имеет 50-контактные разъёмы.

CompactFlash описан в CF+ and CompactFlash Specification Revision 3.0 (от 23 декабря 2004 года).

Стандарт специфицирует:

· размеры и механические свойства устройств CompactFlash, а также типы применяемых разъёмов;

· электрический интерфейс (сигналы шины, циклы шины, а также цоклёвка разъёмов);

· метаформат;

· программную модель устройств CompactFlash;

· адаптеры для подключения устройств CompactFlash к шине PCMCIA.

В соответствии со стандартом, интерфейс накопителей CompactFlash электрически совместим с интерфейсом IDE.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Компания Apple продвигает стандарт под торговой маркой FireWire . Компания Sony продвигает стандарт под торговой маркой i.LINK .

Преимущества

Цифровой интерфейс — позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации

Небольшой размер — тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов

Простота в использовании — отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки

Горячее подключение — возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера

Небольшая стоимость для конечных пользователей

Различная скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b)

Гибкая топология — равноправие устройств, допускающее различные конфигурации

Высокая скорость — возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени

Открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения

Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт.

Подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394 может использоваться с:

Компьютерами

Аудио и видео мультимедийными устройствами

Принтерами и сканерами

Жёсткими дисками, массивами RAID

Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами

Организация уcтройств IEEE 1394

Уcтройства IEEE 1394 огранизованы по 3 уровневой схеме – Transaction, Link и Physical, соответствующие трем нижним уровням модели OSI.

Transaction Layer - маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения. Link Layer - формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку. Physical Layer - преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.

Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.

Данные передаются кадрами длиной 125 мксек. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.

RS-232 — это стандартный электрический интерфейс для последовательной передачи данных, поддерживающий асинхронную связь.

Этот стандарт соединения оборудования был разработан в 1969 году рядом крупных промышленных корпораций и опубликован Ассоциацией электронной промышленности США (Electronic Industries Association — EIA). Международный союз электросвязи ITU-T использует аналогичные рекомендации под названием V.24 и V.28. В СССР подобный стандарт описан в ГОСТ 18145-81.

Стандартная скорость передачи для RS-232 — 9600 бит/сек на расстояние до 15 м. Существует в 8-, 9-, 25- и 31-контактных вариантах разъёмов. В настоящий момент чаще всех используется 9-контактный разъем.

В общем случае описывает четыре интерфейсные функции:

определение управляющих сигналов через интерфейс;

определение формата данных пользователя, передаваемых через интерфейс;

передачу тактовых сигналов для синхронизации потока данных;

формирование электрических характеристик интерфейса.

Вопросы для самоконтроля:

1. Внутренние интерфейсы RS-232, LPT, USB, FireWire.

2. Назначение и технические характеристики.

3. Структура разъемов шин

Раздел 4. Накопители на магнитных и оптических носителях

Тема 4.1 Накопители на гибких и жестких магнитных дисках

Студент должен:

иметь представление:

· о накопителях на гибких и жестких магнитных дисках

знать:

· классификация внешних запоминающих устройств;

· принцип действия и основные компоненты дисковода FDD;

· принцип действия и основные компоненты дисковода HDD;

· характеристики и режимы работы накопителя на жестких дисках.

уметь:

· подключать накопители на жестких магнитных дисках;

· подключать накопители на гибких магнитных дисках;

· форматировать гибкие и жесткие магнитные накопители;

· устанавливать утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD. Логическая структура дискет. Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы . Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD. Современные модели накопителей. Логическая структура жесткого диска. Форматирование жестких дисков. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Методические указания

Накопитель информации — устройство записи, воспроизведе­ ния и хранения информации, а носитель информации — это пред­ мет, на который производится запись информации (диск, лента, твердотельный носитель).

Накопители на гибких дисках

Для записи и считывания информации с ГМД используются периферийные устройства ПК — дисководы (Floppy Dick Drive).

Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки , шагового двига теля и управляющей электроники.

Рабочий двигатель включается тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Двигатель обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты: для дисковода 3,5"— 300 об/мин. Время запуска двигателя — около 400 мс.

Рабочие головки служат для чтения и записи информа ции и располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Поскольку обычно дискеты являются двухсторонними, т.е. имеют две рабо чие поверхности, одна головка предназначена для верхней, а другая — для нижней поверхности дискеты.

Шаговые двигатели обеспечивают позиционирование и движение рабочих головок. Именно они издают характерный звук уже при включении ПК, перемещая головки для проверки работоспособности привода.

Управляющие электронные элементы дисковода чаще всего размещаются с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т. е. отвечают за пре образование информации, которую считывают или записывают головки.

В качестве посредника между дисководом и ПК служит кон­троллер. В современных ПК на материнских платах контроллер уже установлен. Он интегрирован в одну из микросхем Chipset , а на материнской плате имеется специальный разъем для подключе­ния кабелей. Современные котроллеры поддерживают два FDD , обеспечивают скорость обмена данными до 62 Кбайт/с для стан­дартных накопителей на дисках 3,5".

Дискеты ( Floppe Disk Driver , сокращенно Floppy ) формата 3,5" являются современными носителями информации для приводов FDD.

Накопители на жестких магнитных дисках

Первый накопитель на жестких дисках (Hard Disk Drive — HDD) был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM.

Конструкция и принцип действия

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров прин­ цип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 показаны основные элементы конструкции накопите­ ля на жестком диске:

· магнитные диски;

· головки чтения/записи;

· механизм привода головок;

· двигатель привода дисков;

· печатная плата с электронной схемой управления.

Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермо блока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате — вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколь­ кими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Бли­ же к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя нахо­ дится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами).

Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмос­ феру. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется спе­ циальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.

Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках

Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по парамет­ ру, называемому формфактор ( Form - Factor ). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.

Подложки магнитных дисков первых винчестеров из­ готовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В со­временных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и ке­ рамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температу­ры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.

Головки чтения/записи предусмотрены для каждой сто­роны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давле­ние воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к повер­хности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.

Механизм привода головок обеспечивает перемеще­ние головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и виб­рационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.

Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 — 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относи­тельной скоростью 60 — 80 км/ч). Скорость вращения дисков не­которых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вра­щается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только верти­кально или горизонтально.

Печатная плата с электронной схемой управ­ления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На пе­чатной плате монтируются электронные схемы управления двига­телем и приводом головок, схема для обмена данными с кон­троллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

Вопросы для самоконтроля:

1. Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;

2. Логическая структура дискет;

3.