31

ВВЕДЕНИЕ

Данный курс лекций посвящен периферийным устройствам ЭВМ.

Периферийные устройства - наиболее динамично развивающаяся область информационных технологий. Постоянно появляются принципиально новые устройства, как с точки зрения функций ими выполняемых, так и с точки зрения технологий их изготовления и работы. На смену магнитным дискам пришли оптические устройства, механические запоминающие устройства вытесняются более надежными, компактными и бесшумными устройствами на основе флэш – памяти. Практически любое устройство, имеющее разъем USB может рассматриваться, как периферийное. Это может быть видеокамера, ауди плеер, сотовый телефон, игровая приставка, тренажер, мультимедиа проектор, интерактивная доска и т.д. На смену игольчатым принтерам пришли струйные и лазерные, причем ежегодно происходит смена моделей ведущих фирм производителей. Отдельно отметим такие перспективные направления, как 3D принтеры и гибкие дисплеи.

В нашем курсе лекций мы подробно рассмотрим все аспекты области периферийных устройств, тенденции развития, новейшие разработки. Однако начнем с истории развития, без знания которой нельзя понять и оценить тенденции развития. Кроме того основные принципы и методы построения систем открытые в то время используются до сих пор, естественно с учетом современных реалий.

ЛЕКЦИЯ 1 РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ И РАЗНОВИДНОСТИ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Эволюция принципов обмена информацией в эвм

ЭВМ первого поколения работали с устройствами ввода-вывода (УВВ), имевшими невысокие скоростные характеристики и использовавшими бумажные носители информации (перфокарты и перфоленты). Вывод данных осуществлялся, в основном, с помощью медленных АЦПУ (алфавитно-цифровых печатающих устройств).

При вводе-выводе центральное устройство ЭВМ (процессор) брал на себя все функции по управлению обменом и не мог использоваться для решения задач. В ЭВМ 1-го поколения использовался центрально-синхронный принцип управления вводом-выводом.

Длительность решения любой задачи в таких ЭВМ может быть оценена выражением:

Тр = (аоТо + аввТвв)n,

где: ао — относительная доля арифметико-логических операций в программе; То — среднее время операций обработки данных; авв — доля операций ввода-вывода в реализуемой программе; Твв — среднее время выполнения операций ввода-вывода; n — общее количество выполняемых команд программы.

В ЭВМ 2-го поколения появились новые идеи организации процесса вычисления и последовавшие за этим новые технические решения, это:

а) прерывание вычислительного процесса; б) мультипрограммный способ работы ЭВМ; в) элементы операционных систем; г) алгоритмические языки высокого уровня.

Это потребовало увеличения производительности ядра ЭВМ (процессора и памяти) и существенного роста скоростных характеристик УВВ.

На повестку дня встали вопросы, связанные с коренным пересмотром принципов организации ввода - вывода (обмена данными). Тем более что в это время значительно увеличились скоростные характеристики ряда периферийных устройств (ПУ) и появились новые ПУ (графопостроители, НМЛ, быстрые принтеры).

В ЭВМ 3-го поколения была сделана удачная попытка увеличить общую производительность ЭВМ за счет двух основных факторов, это:

а).Совмещение во времени операций ввода-вывода с операциями обработки данных процессором. б).Обеспечение одновременного ввода-вывода с нескольких ПУ.

Эта задача была решена путем построения ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода (СВВ). Структура такой ЭВМ приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Структура ЭВМ с использованием канальной системы ввода-вывода.

Использовались следующие обозначения:

• Ядро ЭВМ, куда входят: ПР — процессор, ОП — оперативная память, УУ — устройство управления.

• МК — мультиплексный канал.

• СК — селекторный канал.

• ПУ — периферийные устройства: МП — «медленная» периферия, БП — «быстрая» периферия.

В приведенной на Рис. 1 структуре были реализованы два основных режима:

а) мультиплексный режим — обслуживание «одновременно» нескольких ПУ с помощью МК (МК в системе не более одного); б) монопольный режим — обслуживание одним СК только одного ПУ, подключенного к нему (количество СК до 8).

Наряду с ЭВМ с канальной структурой системы ввода-вывода, получили развитие ЭВМ, использующие шинную структуру системы обмена данными между компонентами ЭВМ (ПР, ОП, ПУ). Такие ЭВМ получили название мини или микро ЭВМ. Их появление не в последнюю очередь диктовалось требованиями использовать ЭВМ в управлении производственными и технологическими процессами.

Они строились по модульному принципу — каждое устройство представляло собой отдельный, конструктивно законченный модуль. Структура такой системы приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Структура модульной системы.

Использовались следующие обозначения (они используются и в настоящее время):

- П — процессор (микропроцессор — МП). - ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. - ПЗУ — постоянное запоминающее устройство. - ОШ — общая шина (системная магистраль). - ИМ — интерфейсный модуль (контроллер). - ПУ — периферийное устройство.

Основные принципы обмена информацией в ЭВМ такого типа:

• Только два устройства в каждый фиксированный момент времени могут обмениваться информацией (МП — ОП или МП — ПУ или ПУ-ОП).

• Управление обменом (управление Общей Шиной) берет на себя активное устройство или задатчик. Задатчиком может быть МП или ПУ.

• Обмен осуществляется с использованием асинхронного принципа (запрос — ответ).

• Осуществляется механизм арбитража между устройствами.

• Реализуются три способа обмена данными через интерфейс ОШ, а именно: — простой программно-управляемый обмен; — программно-управляемый обмен с использованием прерываний; — обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП).

В настоящее время процесс развития и совершенствования принципов обмена информацией идет по многим направлениям, основные из которых можно сформулировать следующим образом:

• Построение многошинных структур организации ЭВМ и СВВ.

• Повышение скорости обмена на основе построения т.н. «быстрых» интерфейсов.

• Применение МП, БИС и СБИС в компонентах СВВ, позволяющее повысить «интеллектуальность» ПУ.

• Переход от индивидуальных ПУ к коллективным.

• Переход от централизованной обработки данных к децентрализованной (сети ЭВМ).

• Использование новых физических принципов в построении ПУ (лазерный, струйный, термический процессы, квантово механические эффекты, нанотехнологии и др.).

• Создание мультимедиа систем — комплекса аудиовизуальных средств обмена информацией.