Лекция 1

Лекция 1. Введение. Общая характеристика периферийных устройств ЭВМ

Вопросы:

1. Введение в дисциплину периферийные устройства (ПУ) ЭВМ.

2. Классификация и основные определения ПУ.

Литература: 1. Гук. М. Аппаратные средства IBM PC. Питер, 2005, с. 20-33, 45-52.

1. Введение в дисциплину периферийные устройства (ПУ) ЭВМ.

Как известно, совместимый IBM PC компьютер организован по фон-неймановской архитектуре, которая была сформулирована Джорджем фон Нейманом еще в 1945году и имеет следующие принципы:

1. ЭВМ состоит из блока управления (БУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ).

2. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

3. Выполнение команд, адрес которых задается БУ, происходит последовательно.

Данная архитектура является не единственной в построении ЭВМ, однако подавляющее большинство машин и многопроцессорных комплексов построены именно по этой архитектуре. Согласно этой архитектуры ЭВМ можно условно разделить на устройства непосредственной обработки информации и периферийных устройств, т.е. устройств, которые по отношению к устройствам обработки информации являются внешними.

Таким образом целью дисциплины является:

изучение и освоение принципов построения, функциональной организации, конструктивных особенностей и программного обеспечения периферийных устройств. Формирование практических навыков эксплуатации периферийных устройств в составе вычислительных машин, комплексов, систем и сетей.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать

- физические основы регистрации информации на различные носители информации;

- методы канального и помехоустойчивого кодирования данных;

- физические основы и методы формирования изображений на экранах мониторов;

- способы обмена данными между устройствами вычислительных машин;

- принципы организации и проектирования периферийных устройств;

уметь

-оценивать функциональные свойства периферийных устройств и возможность их использования на основе предъявляемых к ним требованиям;

иметь опыт

- эксплуатации и проектирования периферийных устройств;

иметь представление

- о стандартах на периферийные устройства.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 120 часов, из которых лекций 32 часа, лабораторных работ – 28 часов и на самостоятельную работу отводится 60 часов. В качестве итоговой отчетности используется экзамен.

2. Классификация и основные определения ПУ.

Периферийные устройства по отношению к устройству обработки информации могут быть различными как по своему функциональному назначению, так и по принципу действия. Условно все ПУ можно разделить на следующие группы:

1. устройства ввода и вывода символьной, текстовой, графической и видеоинформации;

2. устройства хранения данных (памяти);

3. устройства общения через разные среды (устройства мультимедиа);

4. устройства связи,

которые представлены на рис.1.1

Устройства Устройства Устройства Устройства

ввода, вывода памяти мультимедиа связи

- дисплей - накопители - видиосистемы -последовательныt - -

-клавиатура НМГД и НМЖД интерфейсы

- мышь - накопители - аудиосистемы RS232 и RS485

- принтеры оптические

- плоттеры CD и DVD -параллельные

- сканеры - накопители шины ПУ

- штрихкодовые магнито-оптические AST и SCSI

устройства МOD

считывания - CD/ DVD рекодер

Рассмотрим краткий обзор периферийных устройств подлежащих изучению в данной дисциплине.

Дисплей, рассматривается как устройство вывода графической, текстовой и видео информации и подключается к выходному разъему графического адаптера. Компьютер может обеспечивать подключение одного и более дисплеев или использовать обычный телевизор при обеспечении его работы соответствующим интерфейсом.

Клавиатура – устройство ввода информации, подключаемое к специализированному интерфейсу системной платы или по шине USB.

Принтеры и плоттеры – Устройства вывода текстовой и графической информации на бумагу или пленку. Подключаются к портам LPT, COM или USB. Обеспечивают высокую геометрическую точность вывода информации.

Сканеры – растровые устройства ввода информации. Сканеры бывают ручные и планшетные. Планшетные сканеры являются высокоточными. Все сканеры различаются по разрешающей способности, которая измеряется в количестве различных точек на дюйм (ед. dpi – dot per inch= точка на дюйм). Сканеры подключаются через порт LPT или USB. А так как цветные сканеры оперируют с большим объемом информации, то стандартный порт LPT работает на ввод слишком медленно. Недавно появились сканеры –ручки, которые сами распознают введенный текст и до его передачи в компьютер могут хранить текст во внутренней флэш - памяти. К сканерам относятся и устройства считывания штрих-кодов, которые оперируют с короткой информацией и поэтому их подключение осуществляется через обычный COM порт.

Устройство - указатель – мышь относится к устройству ввода информации (команд), которая подключается к специализированному интерфейсу через порты COM или USB.

Следующая группа состоит из устройств памяти. К ним относятся дисководы с гибкими магнитными дискетами емкостью 1,44 Мбайта СD или DVD диски с соответствующим дисководом, также МОD – диски. Для подключения этих устройств используется шина АТА, если эти устройства внутри системного блока или порты COM и USB, если они используются как внешние устройства.

Для общения человека с компьютером используются мультимедийные устройства (multi media – множество сред). Любой дисплей свободно может воспроизводить видео изображение с любого носителя информации. Однако для воспроизведения потока сжатых видеоданных (показ видеофильмов, телеконференций и т.д.) необходимы дополнительные средства видеокодирования и масштабирования, которые позволяют улучшить качество изображения при снижении нагрузки центрального процессора при обработки таких данных. Кроме того, для работы с источниками видео сигнала необходимы дополнительные устройства захвата и обработки отдельных кадров , так называемые видеобластеры. Компьютеры способные принимать телепрограммы должны быть оснащены картами телевизионных приемников (тюнерами). К графическому адаптеру могут подключаться специальные проекционные аппараты, выводящие изображения большой экран

Неотъемлемой частью мультимедийного компьютера является аудиосистема. Современные звуковые карты имеют аудиокодек – средства цифровой записи и воспроизведения аудиосигналов. Эти средства позволяют:

- проигрывать звуковые файлы различными форматами данных;

- записывать (оцифровывать) внешние аудиосигналы с любых носителей информации

- организовывать цифровую связь по сети;

- синтезировать и распознавать речь.

При наличии микшера в звуковой карте, возможно смешивать сигналы от различных источников: от кодека, микрофона, аудиовыхода, линейного входа, синтезатора.

Так как мультмедийные компьютеры требуют большого объема данных, то для их хранения используют носители информации CD\DVD с соответствующими приводами. Таким образом, мультимедийный компьютер должен иметь следующие минимально возможные периферийные устройства:

графический адаптер;

звуковая карта;

привод CD\DVD.

Развитие мультимедийных систем привело к появлению комбинированных аудиовидеосистем, обеспечивающих полный отрыв от реальной действительности с помощью очков и шлема виртуальной реальности. Эти устройства выводят изображения раздельно для каждого глаза, что обеспечивает объемное восприятие трехмерного изображения.

Связь компьютера с периферийными устройства, между собой и внешним миром обеспечивают устройства связи. К этим устройствам относятся модемы и адаптеры.

Модемы (модуляторы - демодуляторы) обеспечивают обработку и расшифровку информации, передаваемой по телефонным сетям общего назначения или по специально выделенным линиям связи. Модемы могут устанавливаться как внутри системного блока, так и подключаться извне. Внешнее подключение , как правило, обеспечивается через СОМ порт или по шине USB.

Адаптеры сетей позволяют проводить обмен информацией с гораздо более высокой скоростью, ног на меньшее расстояние.

Контроллер выполняет те же функции, что и адаптер, но при этом обеспечивается его дополнительная самостоятельность после получения команд от обслуживающей программы. В составе самого контроллера может находиться его собственный процессор.

Для взаимодействия с программой адаптеры и контроллеры обычно имеют регистры ввода м вывода , адреса которых могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода – вывода. Кроме того, для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах, используется механизмы аппаратных прерываний, а для обмена информацией с этими устройствами применяется механизм прямого доступа к памяти, а также прямое управление шиной.

Таким образом, все устройства, занимающие какие-то свои системные ресурсы (порты ввода-вывода, лини запросов прерывания и т.д.) называются системными устройствами. А устройства, подключенные к тем или иным интерфейсам системных устройств, называются периферийными устройствами.

Т.е. деление всех устройств в различных архитектурах компьютеров может быть различным и зависеть как от состава, так и от конфигурации архитектуры компьютера.

Интерфейс RS-232 – СОМ-порт представляет собой последовательный интерфейс передачи данных в одном направлении, используя одну сигнальную линию. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий связи и добиться хорошего качества связи на больших расстояниях. Этот интерфейс обеспечивает асинхронный способ передачи данных по сети.

Длина линии и скорость передачи информации определяют различную модификацию последовательного интерфейса, например, RS-485, который называют магистральным интерфейсом. В этом интерфейсе для передачи каждого сигнала используется дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи.

Для подключения периферийных устройств широко используются параллельные шины АТА и SCSI:

АТА – (Advanced Technology Attachment – Продвинутая Технология Присоединения) используется для подключения накопителей на жестких дисках. Интерфейс данной технологии появился а результате переноса контроллера жесткого диска ближе к накопителю. При этом удлинилась связь системной шины с устройством.

SCSI – (Small Computer System Interface – Системный Интерфейс Малых Компьютеров) представляет собой шину для подключения периферийных устройств компьютера.

Последовательные шины позволяют объединить так же множество устройств.

В параллельных шинах имеется возможность синхронизации ведущих ми ведомых устройств, подтверждение каждого шага протокола обмена и, при необходимости, продление отдельных фаз обмена информацией по просьбе неуспевающе6го устройства.

В последовательных шинах, когда информация передается целиком пакетами, а синхронизация возможна только по принимаемому потоку бит такой возможности пошагового обмена или торможения нет. Эта особенность сближает последовательные шины с локальными сетями передачи данных.

Наибольшую популярность в настоящее время получили последовательные шины USB и Fire Wire, которые способны передавать трафик аудио- и видеоданных.

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры персонального компьютера. Данная шина обеспечивает три скорости передачи данных :

FS – (full speed – полная скорость) 12 Мбит /сек

LS - (slow speed - низкая скорость) 1,5 Мбит/сек

HS - (high speed – высокая скорость) 480 Мбит/сек

В одной и той же системе могут одновременно работать устройства с тремя скоростями. Шина с скоростями FS и LS соответствует поздней версии USB 1.0, а со скоростью HS новой версии USB 2.0. Эта шина ориентирована на периферийные устройства и позволяет передавать аудио (USB 1.0) и видео (USB 2.0.) сигналы, а также соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м с использованием промежуточных Хабов. Кабель USB имеет одну экранированную витую пару для сигнальных цепей и одну не экранированную пару для подачи питания +5В.

Шина Fire Wire (огненный провод) отличается от шины USB тем, что вместо одной сигнальной пары проводов она имеет две сигнальные пары проводов или пару оптический волокон. В ней возможны три скорости передачи сигнала: 100, 200, 400 Мбит/сек с обеспечением цифровой связи до 63 устройств без дополнительной аппаратуры (хабов). Шина позволяет передавать одновременно два канала: видео и аудио сигналы. Питание, поступающее от шины ( ток до1,5А) позволяет подключенным устройствам работать с системой даже при отключении их питания.

6