1. Архитектура пэвм и ее подсистемы ввода-вывода. Классификация интерфейсов и периферийных устройств (пу), отличительные признаки. Архитектура, топология.

1.1 Архитектура ПЭВМ и подсистемы ввода-вывода

ЭВМ состоит из вычислительного ядра и периферии.

Ядро включает в себя:

устройство управления

вычислительное устройство (АЛУ)

запоминающее устройство

Периферия включает в себя:

устройства ввода

устройства вывода

Основная задача периферийных устройств – поставка данных на обработку, а также вывод их за пределы вычислительного ядра. Данная задача охватывает такие процессы, как оцифровка и преобразование данных в электрическую форму (из оптической, механической, электромагнитной и т.д.), регистрация различных внешних воздействий, преобразование данных, сохранение на внешних носителях, изготовление «твердой копии» на бумаге, передача по каналам связи, отображение в графической форме на экране и т.д.

1.2 Классификация интерфейсов и периферийных устройств (ПУ)

ПУ делят на 4 базовых класса:

Устр-ва ввода

Устр-ва вывода

Устр-ва хранения данных

Сетевые и коммуникац устр-ва

ПУ по конструктивному исполнению:

Внешние

Внутренние

Встроенные

ПУ классифицируются также по основной функции (для комбинированных устройств)

Интерфейс – средства (аппаратные и программные), используемые для соединения двух компонентов или систем

Интерфейсы по роли в архитектуре:

Системные:

Шина процессора

Шина контроллера памяти

Шина ввода-вывода

Периферийные

Интерфейс памяти

Системные интерфейсы имеют электрическую природу и реализованы в виде дорожек на печатных платах (или линий внутри микросхем). Периферийные имеют различия.

Интерфейсы по способу кодирования и передачи данных:

Параллельные

Последовательные

Интерфейсы по направлению передачи:

Однонаправленные (симплексные)

Двунаправленные (дуплексные)

С возможностью изменения направления передачи (полудуплексные)

Интерфейсы по физическому явлению, используемому для кодирования информации:

Электрические (с управлением током или напряжением)

Оптические (оптоволоконные)

Беспроводные (радио)

1.3 Архитектура, топология

Топологии:

Архитектура современного ПК:

2. Основные принципы программирования доступа к пу. Сигналы, протоколы. Особенности адресации. Методы управления обменом. Регистровая программная модель пу.

2.1 Основные принципы программирования доступа к ПУ

Единого интерфейса программирования (API) для работы с ПУ не существует, зачастую даже стандартный интерфейс для определенного типа устройств разрабатывается не сразу.

Ранее разработчики ПО полагались на API, предоставляемый системнымBIOS(илиBIOSсамого устройства), а в сложных случаях прибегали к «ручному» программированию устройства. Однако в многозадачных средах такой подход не работает.

Основная задача- требуется обеспечить множественный доступ к одному и тому же устройству. Реализуется это либо программно, через драйверы, либо через интеллектуальный хост-контроллер, функции которого распределены между «железом» и драйверами.

2.2 Сигналы, протоколы

2.3 Особенности адресации

Пространство памяти предназначено для хранения кодов инструкций и данных, для доступа к которым существует 24 режима. Логическая структура памяти PC обусловлена особенностями системы адреса­ции процессоров семейства х86. Процессоры 8086/88, применявшиеся в первых моделях PC, имели доступное адресное пространство 1 Мбайт (20 бит шины ад­реса). Эти процессоры использовали сегментную модель памяти, унаследован­ную и следующими моделями в реальном режиме. Согласно этой модели испол­нительный (линейный) адрес вычисляется по формуле Addr = Seg x 16 + Offset, где Seg и Offset — содержимое сегментного и адресного регистров. Таким обра­зом, обеспечивался доступ к адресному пространству Addr = 00000 - FFFFFh при помощи пары 16-битных регистров.

32-разрядные процессоры позволяют организовать режим, иногда называемый «нереальным» или «большим реальным», в котором инструкции вы­полняются как в реальном, но доступны все 4 Гбайт памяти.

Распределение памяти PC, непосредственно адресуемой процессором, приве­дено на рис. 3.2 и представляется следующим образом.

·         00000h-9FFFFh - Conventional (Base) Memory, 640 Кбайт - стандартная (базовая) память, доступная DOS и программам реального режима.

·         A0000h-FFFFFh — Upper Memory Area (UMA), 384 Кбайт —верхняя память, зарезервированная для системных нужд. В ней размещаются области бу­ферной памяти адаптеров (например, видеопамять) и постоянная память (BIOS с расширениями). Эта область, обычно используемая не в полном объеме, ставит непреодолимый архитектурный барьер на пути непрерывной (нефрагментированной) памяти, о которой мечтают программисты.

·         Память выше 100000h — Extended Memory —дополнительная (расширен­ная) память, непосредственно доступная только в защищенном (и в «боль­шом реальном») режиме для компьютеров с процессорами 286 и выше. В ней выделяется область 100000h-10FFEFh —высокая память, HMA, — единственная область расширенной памяти, доступная 286+ в реальном, режиме при открытом вентилеGate A20.

Область памяти выше первого мегабайта в различных источниках называется по-разному. Ее современное английское название — Extended Memory — дополнитель­ная память.

Вышеприведенное разделение памяти актуально только для приложений и операционных систем реального режима типа MS-DOS. Для ОС защищенного режима (в том числе Windows 9x/NT/2000) доступна вся оперативная память, причем без каких-либо ухищрений вроде EMS и XMS, описанных ниже.

Однако область UMA с ее традиционными «жителями», сохраняемая ради совместимос­ти, остается барьером на пути к единой однородной памяти.

Для компьютеров класса АТ-286 с 24-битной шиной адреса верхняя граница оперативной памяти — FDFFFFh (максимальный размер 15,9 Мбайт). Область FE0000h-FFFFFFh содержит ПЗУ BIOS (ROM BIOS Area), обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0E0000h-0FFFFFh (896-1024 Кбайт).

Для 386+ процессоров и 32-битной шины адреса теоретическая верхняя гра­ница — 4 Гбайт, а для Р6 — 64 Гбайт (36-битная шина адреса). В компьютерах с 32-разрядной шиной адреса образ BIOS дополнительно проецируется в адреса FFFE0000h-FFFFFFFFh (4096 Мбайт), хотя для процессоров Р6 это и необязательно. Однако иногда используется и проекция BIOS в область FE0000h-FFFFFFh (15,9 Мбайт), что не по­зволяет задействовать более 16 Мбайт ОЗУ, поскольку система воспринимает только найденную непрерывную область оперативной памяти. Если 32-разряд­ный компьютер имеет отображение области BIOS под границей 16 Мбайт, это отображение обычно можно запретить установкой соответствующего параметра CMOS Setup. Иногда для использования специфических адаптеров ISA, имею­щих буфер с адресами в 16-м мегабайте памяти, предусматривают параметр Memory Hole At 15-16M. Его установка также не позволяет использовать оператив­ную память свыше 16 Мбайт.

2.4 Методы управления обменом

Программно-управляемый доступ (программный доступ) PIO. Управляет обменом (определяет моменты передачи данных, подает адреса и т.д.) процессор, чаще всего центральный (но может быть и выделенный процессор ввода-вывода). При этом фактически происходит пересылка данных между регистрами процессора и регистрами/памятью ПУ (или контроллера интерфейса).

Преимущество– в простоте аппаратной реализации ПУ. Требуется обеспечить лишь выставление на шину / чтение с шины содержимого регистров или ячеек памяти по сигналу доступа.

Недостаток– в низком быстродействии и необходимости задействовать процессор, который в общем случае будет простаивать ввиду более высокого быстродействия по сравнению с ПУ.

Метод прямого доступа к памяти (DMA)позволяет выполнять обмен между оперативной памятью системы и ресурсами ПУ асинхронно по отношению к вычислительному процессу. Управление обменом берет на себяконтроллер DMA, который может быть как общесистемным (старая архитектура), так и входить в состав ПУ. КонтроллерDMAтребуется запрограммировать на пересылку данных между двумя адресатами, после чего он самостоятельно вырабатывает сигналы передачи данных.

Интеллектуальным хост-контроллер– устройство, обеспечивающее более гибкое управление процессом обмена данными. В частности, такой хост-контроллер самостоятельно обрабатывает списки задач, формируемые в памяти системы, не требуя от процессора контроля над состоянием ПУ.

2.5 Регистровая программная модель

Изначально разработчики придерживались регистровой программной моделиПУ. Устройство представлялось программно доступным (в общем пространстве портов ввода-вывода) набором регистров, среди которых обязательно были три – состояния, управления и данных (т.н. модельCSD). Доступ предполагался методомPIO.

Устройства с большим объемом собственной памяти отображали ее на общее пространство памяти для прямого программного доступа.

Использование портов ввода-вывода не всегда эффективно и удобно, поэтому у современных устройств регистры обычно отображаются на пространство памяти.

По мере усложнения архитектуры и повышения требований к устройствам и интерфейсам появилась необходимость реализации более сложной многоуровневой модели программирования с применением объектно-ориентированного подхода.

Современные интерфейсы программирования устройств включают не только аппаратные, но и программные компоненты, входящие в состав ядра операционной системы. Программисту приходится иметь дело не с регистрами, а с системными объектами, а всю низкоуровневую работу с аппаратными ресурсами выполняет драйвер со стандартным интерфейсом программирования.