4.6.2 Внешние интерфейсы (интерфейсы периферийных устройств)

Последовательный асинхронный адаптер (COM порт)

Обычно он представляет собой отдельную плату или же расположен прямо на материнской плате компьютера. Его называют еще асинхронным адаптером RS-232-C, или портом RS-232-C. Каждый асинхронный адаптер обычно содержит несколько портов RS-232-C, через которые к компьютеру можно подключать внешние устройства (удаленных до 30 метров.). Каждому такому порту соответствует несколько регистров, через которые программа получает к нему доступ, и определенная линия IRQ для сигнализирования компьютеру об изменении состояния порта. При выполнении BIOS процедуры начальной загрузки каждому порту RS-232-C присваивается логическое имя COM1 - COM4 (COM-порт номер 1 - 4). Наиболее часто используются Д-образные разъёмы: 9-ти и 25-тиконтактные (рисунок 20).

Рисунок 20 – 9-контактный разъем COM-порта

Данные передаются по данному интерфейсу пакетами по одному байту (8 бит).

Порт последовательной передачи данных используется для:

• подключение мыши;

• подключение сканеров, принтеров;

• связь двух компьютеров;

• подключение модемов для передачи данных по телефонным линиям;

• и др.

Скорости передачи данных по данному интерфейсу 9600,19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с.

Обозначение:  .

LPTпорт

LPT (Line Print Terminal) — международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.

В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей.

В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP).

Название «LPT» образовано от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (Line Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS (рисунок 21).

Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с.

Рисунок 21 – LPT-порт на персональных компьютерах (IEEE 1284-A)

Большинство фирменных расширений первоначального интерфейса впоследствии было стандартизировано индустрией, каковой процесс завершился принятием серии стандартов IEEE-1284. В настоящее время стандарт IEEE-1284 не развивается. Окончательная стандартизация параллельного порта совпала с началом внедрения интерфейса USB, который позволяет подключать также и комбинированные аппараты (сканер-принтер-копир) и обеспечивает более высокую скорость печати и надёжную работу принтера. Также, альтернативой параллельному интерфейсу является сетевой интерфейс Ethernet.

Обозначение: 

PS/2

В середине 80-х IBM предложила в своей новой серии персональных компьютеров IBM PS/2 (Personal System) для удобства использовать один и тот же разъём для клавиатуры и мыши. Для этого был разработан новый последовательный порт с более компактным разъёмом, за которым в дальнейшем закрепилось название PS/2 (рисунки 22, 23).

Рисунок 22 - Два порта PS/2: один окрашенный, другой - нет

Рисунок 23 – Кабели с разъемами PS/2 Фиолетовый – клавиатура. Зелёный – мышь

USB

USB(UniversalSerialBus) — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Основная цель стандарта - создание возможности пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что осуществляется подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов.

Для подключения периферийных устройств к шине USBиспользуется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питанияUSBпозволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шиныUSB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USBможно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификацииUSB3.0.

Характеристики: USB1.0:

1. спецификация выпущена в ноябре 1995 года;

2. два режима передачи данных:

• режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с;

• режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с.

3. максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью — 3 м;

4. максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 5 м;

5. максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127.

Характеристики USB 2.0:

1. Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

2. три режима работы:

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

- Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);

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

Всего существует три типа USB-разъёмов (рисунок 24):

• Разъём "тип A": обычно присутствует у ПК.

• Разъём "тип B": обычно находится на самом USB-устройстве (если кабель съёмный).

• Разъём мини-USB: обычно используется цифровыми видеокамерами, внешними жёсткими дисками и т.д.

USBтип А

USBтип В

Mini USB Тип A (слева) и Mini USB Тип B (справа)

Рисунок 24

Обозначение: 

«Тюльпан» (Cinch/RCA): композитный видео, аудио,HDTV(рисунок 25)

Рисунок 25

Применяют следующую цветовую кодировку: жёлтый для видео (FBAS), белый и красный "тюльпаны" для аналогового звука, а также три "тюльпана" (красный, синий, зелёный) для компонентного выхода HDTV

Разъёмы "тюльпан" используются в паре с коаксиальными кабелями для многих электронных сигналов. Обычно вилки "тюльпан" используют цветовое кодирование, которое приведено в следующей таблице.

Цвет	Использование	Тип сигнала
Белый или чёрный	Звук, левый канал	Аналоговый
Красный	Звук, правый канал (также см. HDTV)	Аналоговый
Жёлтый	Видео, композитный	Аналоговый
Зелёный	Компонентный HDTV (яркость Y)	Аналоговый
Синий	Компонентный HDTV Cb/Pb Chroma	Аналоговый
Красный	Компонентный HDTV Cr/Pr Chroma	Аналоговый
Оранжевый/жёлтый	Звук SPDIF	Цифровой

21. Чипсет

Chipset, или «PCIset», — совокупность микросхем, размещенных на системной плате, которые организуют потоки команд и данных в ПЭВМ. Сюда входят основная память, вторичная кэш-память и устройства, связанные с шинами ISA и PCI.
Кроме того, чипсет контролирует потоки данных НЖМД и других устройств, соединенных с каналом IDE. Иногда в состав
чипсет включают и сам процессор.

в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате, выполняет роль связующего компонента (моста), обеспечивающего взаимодействие центрального процессора (ЦП) c различными типами памяти, устройствами ввода-вывода, контроллерами и адаптерами ПУ, как непосредственно через себя (и имея некоторые из них в своём составе), так и через другие контроллеры и адаптеры, с помощью многоуровневой системы шин.^[1] Так как ЦП как правило не может взаимодействовать с ними напрямую. Чипсет определяет функциональность системной платы. Он включает в себя интерфейс шины процессора и определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора. 

Чаще всего чипсет материнских плат современных компьютеров состоит из двух основных микросхем (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub, SCH)):

1. контроллер-концентратор памяти (англ. Memory Controller Hub, MCH^[3][4]) или северный мост (англ. northbridge) — обеспечивает взаимодействие ЦП с памятью. Соединяется с ЦП высокоскоростной шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В современных ЦП (например Opteron, Itanium, Nehalem, UltraSPARC T1) контроллер памяти может быть интегрирован непосредственно в ЦП. В MCH некоторых чипсетов может интегрироваться графический процессор^[5];

2. контроллер-концентратор ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub, ICH^[6]) или южный мост (англ. southbridge) — обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, низкоскоростными интерфейсами PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр. Функционально южный мост включает в себя:

• контроллеры шин PCI, PCI Express, SMBus, I2C, LPC, Super I/O

• DMA контроллер;

• контроллер прерываний;

• PATA (IDE) и SATA контроллеры;

• часы реального времени (Real Time Clock);

• управление питанием (Power management, APM и ACPI);

• энергонезависимую память BIOS (CMOS);

• звуковой контроллер (обычно AC'97 или Intel HDA).

Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.

Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для разъёма LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста, соединенного с процессором через шину DMI^[7].

22. Дополнительные интегральные микросхемы

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора:

• - математический сопроцессор;

• - контроллер прямого доступа к памяти;

• - сопроцессор ввода-вывода;

• - контроллер прерываний и т. д.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Современные модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти (DMA – Direct Memory Access) обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью без участия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Иными словами, режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пересылки данных между внешними устройствами и ОП, отдав эту работу контроллеру DMA; процессор в это время может обрабатывать другие данные или другую задачу в многозадачной системе.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание – временная приостановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы.

23. Основная память

Основная память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных непосредственно участвующих в операциях. Она имеет достаточное быстродействие, но ограниченный объем. Основная память делится на различные виды, основными из которых являются оперативная память (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (рис.1).

         ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования.

         ОЗУ служит для приема, хранения и выдачи информации. Именно в нем процессор «берет» программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Однако содержащие в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. Таким образом ОЗУ - энергозависимая память.

         Основу ОЗУ составляют БИС, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров). Запоминающие элементы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем каналам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти.

        Кроме объема ОП на производительность компьютера влияют также ее быстродействие и используемый способ обмена данными между микропроцессором и памятью.

         ОП реализуется на микросхемах DRAM (динамическая ОП),. Каждый информационный байт (0 и 1) в DRAM хранится в виде заряда конденсатора. Из-за наличия токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью обновлять. Из-за непрерывной потребности обновления такая память и называется динамической. Регенерация содержимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

         Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется стабильная сверхбыстродействующая КЭШ-память, которая располагается, как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных из КЭШ-памяти. Поскольку время доступа к КЭШ-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже хранятся в КЭШ-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. КЭШ-память реализуется на микросхеме SRAM (статическая ОП).

Данные в постоянную память занесены при ее изготовлении. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Такой вид памяти обычно называют ROM (read only mеmory, или память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

         В IBM PC - совместимом компьютере в постоянное памяти хранятся программы для проверки оборудования, компьютера, инициирования загрузки операционной системы (ОС) и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется BIOS (Basic Input - output System, или базовая система ввода -вывода).

         Во многих компьютерах устанавливается BIOS  на основе ФЛЕШ-памяти. Такая память может быть изменена программами, что позволяет обновлять BIOS с помощью специальных программ, без замены материнской платы или микросхемы  BIOS.

         Во всех компьютерах, кроме очень старых, в BIOS  содержится также программа настройки конфигурации компьютера (SETUP). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, часть также режимы работы с оперативной памятью, запрос пароля при начальной загрузке и т.д.).

         Емкость ФЛЕШ-памяти от 32 Кбайт до 2 Мбайт, время доступа по считыванию 0,06 мкс, время записи одного байта примерно 10 мкс; ФЛЕШ-память - энергонезависимое ЗУ.

         Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти, в компьютере имеется небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор.

         Таким образом, емкость основной памяти состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 1 до 4 Гбайт. Емкость ОЗУ на один два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает на новых системных платах  до 2 Мбайт), остальное объем ОЗУ.

24. Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память(ROM),перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory),память CMOS RAM, питаемая от батарейки,видеопамятьи некоторые другие виды памяти.

Постоянная память(ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — важный модуль любой операционной системы.

BIOS(Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера  и  загрузки операционной системы в оперативную память.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM.

CMOS RAM— это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Интегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять(VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

25. Процессоры

См вопр 17

26. Определение и классификация информации.

Информа́ция — сведения, независимо от формы их представления, воспринимаемые человеком или специальными устройствами как отражение фактов материального мира в процессе коммуникации.