1) Основные характеристики и классификация ЭВМ. Назначение кэш и BIOS. Принципы организации и структура многопроцессорных ЭВМ.
Классификация ЭВМ по принципу действия:
Аналоговые ЭВМ
Цифровые ЭВМ
Гибридные ЭВМ
Аналоговые ЭВМ – схема организуется в соответствии с математической моделью рассчитываемого объекта, исходные данные задаются в виде напряжений, выходные данные – осциллограммы (графики).
Цифровые ЭВМ –система бистабильных ячеек, образующих пространство памяти, АЛУ, устройство управления.
Классификация ЭВМ по структуре:
Магистральные ЭВМ
Нейро-ЭВМ
Однокристальные ЭВМ (контроллеры)
Многокристальные ЭВМ
Память ЭВМ является многоуровневой и многофункциональной. Элементы памяти имеют специальные обозначения:
BIOS – basic input output system
= Базовая система ввода-вывода (КНЗ)
Cache – (кэш = тайник) промежуточная память с высоким быстродействием
Кэш на порядок повышает производительность ЭВМ.
Кэш – памятью управляет специальный контроллер по специальному алгоритму, функционирующему независимо от пользователя.
Основным диспетчером процессов обмена информацией является процессор
Контроллер прямого доступа к памяти (КПДП) разгружает процессор от рутинных операций обмена данных между ОЗУ и периферийными устройствами ЭВМ. Процессор указывает КПДП откуда, куда и сколько скопировать информации. Например, скопировать из накопителя информации на магнитных дисках (НИМД) информацию в память видеосистемы (ВС) или акустической системы (АС).
Интерфейс – это канал обмена информационными сообщениями между устройствам
Процесс работы ЭВМ построенной на основе шинной архитектуры, складывается из следующих этапов:
Процессор устанавливает на шине адреса номер порта устройства, с которым он должен взаимодействовать.
Процессор или адресуемое устройство передают через шину данных информацию.
По шине управления передаются сигналы запросов, готовности и синхронизации, обеспечивающие операции чтения или записи данных.
2)Структурная схема контроллера клавиатуры, кольцевой буфер, прерывания клавиатуры. Процесс взаимодействия системы с клавиатурой.
Непосредственное управление работой ЭВМ оператор (пользователь) осуществляет с помощью клавиатуры и манипуляторов. Клавиатура предназначена для введения алфавитно-цифровой информации и управления графическим курсором. Работой клавиатуры управляет специальная электронная схема - контроллер клавиатуры [3,4]. В его функции входит распознавание нажатой клавиши и помещение закрепленного за ней кода в свой выходной регистр (порт), обычно с номером 60h.
Процесс взаимодействия ЭВМ с клавиатурой отображен на рис.2.1. Код клавиши, поступающий в порт, называется скан - кодом. Каждой клавише присвоено два скан-кода: код нажатия и код отпускания, больший на 80h. Кнопки основной части клавиатуры образуют матрицу контактов из 23 строк и 4 столбцов, что сокращает количество необходимых проводников и контактов микросхемы контроллера.
Рис.2.1. Взаимодействие клавиатуры с системой
Нажатие и отпускание любой клавиши вызывает сигнал аппаратного прерывания, заставляющий процессор прервать выполняемую программу и перейти на программу обработки прерывания (ПОП) от клавиатуры INT09h (вектор прерывания имеет адрес 24h). Обработчик прерывания работает с двумя областями оперативной памяти: кольцевым буфером ввода, располагаемым по адресам от 40h:1Eh до 40h:3Dh, куда помещаются коды ASCII нажатых клавиш, и словом состояния (словом флагов) клавиатуры, находящимся по адресу 40h:17h, где фиксируется состояние управляющих клавиш (<Shift>, <Caps Lock>, <Num Lock>, и другие).
Если скан-код принадлежит одной из управляющих клавиш, и представляет собой код нажатия, то в слове флагов устанавливается в 1 бит (флаг), соответствующий нажатой клавише. Сброс флага происходит при отпускании такой клавиши.
кольцевой буфер - служит для синхронизации процессов ввода данных с клавиатуры и приема их выполняемой компьютером программой. Объем кольцевого буфера составляет 15 слов.
3. Структурная схема манипулятора "мышь". Код Грея. Система прерываний, используемая для программирования работы с манипулятором "мышь".
Манипуляторы (мышь, джойстик) предназначены для управления текстовым или графическим курсором и формирования двух и более контактных сигналов. Схема взаимодействия манипулятора "мышь" и ЭВМ показана на рис.2.2.
Рис.2.2. Схема взаимодействия манипулятора "мышь" и ЭВМ
Перемещение манипулятора контролируется двухкоординатным механизмом прерывания светового потока (МПСП), количество прерываний регистрируется фотодиодными парами (ФДП). МПСП по каждой координате состоит из колесика с периодическими вертикальными щелями и расположенными с разных сторон светодиода и двух фотодиодов. Контроллер подсчитывает количество прерываний светового потока и реализует протокол обмена по линиям последовательного порта:
RxD - данные из манипулятора,
TxD - данные в манипулятор,
RTS - сигнал запроса передачи в манипулятор,
SG - сигнальное заземление.
МПСП формирует помехоустойчивый код Грея, показанный на рис.2.3. Двоичный код Грея позволяет определять направление перемещения манипулятора.
Рис.2.2. Схема МПСП и код Грея
Оптические и лазерные манипуляторы «мышь» в качестве чувствительного элемента содержать фотоприемную матрицу 16х16 точек. Контроллер манипулятора периодически сравнивает текущее и предыдущее изображения. Сравнение осуществляется корреляционным методом, позволяющем определять направление относительного сдвига запомненного изображения.
4.Структуры ячеек ЖКМ и матричная схема TFT управления.
Управление ячейками дисплея типа TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) осуществляется по принципу матричной адресации и управления, что позволяет реализовать оперативную передачу информации к многочисленным ячейкам дисплея.
Схема управления ячейками дисплея
Фрагмент матрицы TFT управления ячейками дисплея
http://reeed.ru/info_lcd.php
5. Структуры ячеек плазменного дисплея и матричная схема tft управления.
Плазменные панели в настоящее время являются средствами формирования наиболее ярких цветных изображений. Изображение формируется элементами плазменной панели, которые представляют собой замкнутый объем, наполненный смесью инертных газов. Внутри элемента расположены электроды: анод и катод, которые позволяют получать электрический разряд при подаче электрического напряжения. Электрический разряд генерирует ультрафиолетовое излучение, которое невидимо для человеческого глаза. Люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение в видимый свет необходимого цвета. В мониторах используются люминофоры красного, зеленого и синего цвета.
Рис.3.11. Элемент плазменной панели
Яркость элемента плазменной панели задается длительностью электрического разряда.
6)Структура жк проектора.
Жидкокристаллические мониторы представляют собой плоскую матрицу, каждый элемент которой может приобретать необходимый цвет и яркость, согласно поступающим сигналам управления.
Жидкий кристалл - это агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Известно несколько тысяч органических веществ, способных находится в таком состоянии. Пластичность вещества в таком состоянии позволяет ориентировать оси кристаллической решетки под воздействием электрического поля. Ориентация осей сопровождается проявлением электрооптических свойств: селективное отражение и поглощение света, вращение плоскости поляризации, дихроизм. Использование этих свойств лежит в основе конструкции ЖКМ.
Элемент ЖКМ состоит из светодиодного излучателя определенного цвета и жидкокристаллического модулятора, через который проходит свет. Яркость таких элементов достигает 180 кд/м2. Периодическое чередование элементов основных цветов в матрице экрана позволяет получать цветное изображение. На рис.3.10. показана структура элемента ЖКМ, работа которого основана на применении поляризационных свойств жидких кристаллов.
Рис.3.10. Элемент поляризационного ЖКМ
Световой поток с тыльной стороны панели экрана попадает на первый поляризационный фильтр, который пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному направлению. Поляризованный свет проходит через слой жидких кристаллов, при этом плоскость его поляризации поворачивается на некоторый угол. Величина угла поворота плоскости поляризации зависит от величины напряжения, приложенного к жидкокристаллическому слою. Первый и второй поляризационные фильтры имеют взаимно перпендикулярные направления поляризации, поэтому пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью второго поляризатора, то есть интенсивность света, выходящего из элемента ЖКМ, определяется величиной управляющего напряжения.
ЖКМ имеют специальную систему управления матрицей элементов. Поставляются ЖКМ со своими видеоадаптерами и драйверами.
Структура и характеристики видеосистемы - видеоадаптер.
Видеосистемы предназначены для наглядного отображения информации, формируемой с помощью ЭВМ. Аппаратная часть видеосистемы состоит из двух основных элементов: монитора и видеоадаптера, подключаемого к системной шине ЭВМ, как показано на рис.3.1.
Рис.3.1. Структурная схема видеосистемы
Видеоконтроллер (видеопроцессор) осуществляет общие функции управления адаптером, а также некоторые математические функции по преобразованию изображений, в соответствии с командами, получаемыми от процессора. Буферное ОЗУ (БОЗУ) занимает определенный участок в адресном пространстве процессора и имеет многослойную структуру: несколько слоев памяти ВА занимают одинаковый интервал адресов, подключаясь по одному в соответствии с командами контроллера. Видеопамять ВОЗУ необходима для накопления одного и более кадров текущего изображения, что позволяет реализовать видеоконтроллеру алгоритмы декомпрессии и аппертурной обработки изображений, находящиеся в ПЗУ. Текстовый знакогенератор ТЗГ отвечает за формирование на экране монитора текстовой информации. Генератор видеосигналов ГВС формирует на основе цифровой видеоинформации с помощью ЦАП цветовые и синхронизирующие строчные и кадровые сигналы, поступающие на монитор.
Имеет место три уровня программной поддержки работоспособности видеоадаптера: прерывания BIOS, прерывания DOS и драйверы видеоадаптера. Ассоциацией по стандартизации в видеоэлектронике разработан стандарт VESA (Video Electronics Standards Association) для видеоадаптеров, который поддерживается большинством изготовителей. Основные функции VESA хранятся в специальном постоянном запоминающем устройстве VBE (VESA BIOS Extention).
Принцип преемственности старого программного обеспечения для новых моделей ЭВМ, обусловил существование нескольких видеорежимов, соответствующих последовательно разработанным типам адаптеров, основными из которых являются: EGA, VGA и SVGA. Прямое программное управление видеорежимов, соответствующих более ранним моделям адаптеров, проще и достаточно эффективно для большинства прикладных задач, что оправдывает их сохранение в новых модификациях [3,13]. Кроме того, видеорежимы принято разделять на текстовые и графические, которые поддерживаются программно, специальными прерываниями BIOS, и аппаратно, наличием знакогенератора в составе адаптера.