Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите и охарактеризуйте основные устройства ввода информации вычислительных машин.

2. Для чего предназначены и как устроены сканеры?

3. Приведите характеристики современных сканеров.

4. Какие функции выполняет видеоадаптер в ВМ?

5. Какие основные компоненты входят в состав видеоадаптера?

6. Какие характеристики монитора определяют качество изображения на его экране?

7. Опишите принцип действия жидкокристаллического дисплея.

8. Изложите принцип работы плазменной дисплейной панели.

9. Какими достоинствами обладают перспективные OLED- и LEP-дисплеи?

10. Для каких целей предназначена аудиосистема ВМ?

11. Какие компоненты входят в состав акустической системы?

12. Перечислите основные технологии печати.

13. Охарактеризуйте технологию ударной печати.

14. Каковы преимущества и недостатки принтеров ударной печати со шрифтоносителем?

15. Опишите принцип действия, основные характеристики и области применения матричных принтеров.

16. Как устроены и где используются термопринтеры?

17. Как работает термоэлектрическая печатающая головка?

18. Каков принцип действия пьезоэлектрической печатающей головки?

19. Назовите основные преимущества и недостатки технологии струйной печати.

20. Приведите основные технические характеристики современных моделей струйных принтеров.

21. Опишите устройство и принцип работы лазерного принтера.

22. Как устроены светодиодные принтеры, каковы их достоинства и недостатки по сравнению с традиционными лазерными принтерами?

23. Охарактеризуйте современный технический уровень лазерных принтеров, укажите их преимущества и недостатки по сравнению с другими типами принтеров?

24. Опишите технологию твердокрасочной печати, ее характеристики и области преимущественного применения.

25. В чем заключается технология сублимационной (термодиффузионной) печати, каковы ее характеристики, преимущества и недостатки?

26. Охарактеризуйте принтеры для портативных переносных компьютеров.

27. Приведите классификацию широкоформатных принтеров.

28. Какие устройства применяются в перьевых плоттерах в качестве пишущих узлов?

29. В чем различие между планшетными и барабанными плоттерами?

5. Организация коммуникаций функциональных устройств вычислительных машин

5.1. Общие понятия

Совокупность каналов (трактов) обмена информацией, объединяющих между собой основные функциональные устройства ВМ (центральный процессор, устройства внутренней и внешней памяти, устройства ввода/вывода и другие дополнительные устройства), образует структуру коммуникаций (взаимосвязей) вычислительной машины. Взаимные коммуникации обеспечиваются системой так называемых «шин» (англоязычный эквивалент – «bus»). Под термином «шина» обычно подразумевается некоторый набор цифровых коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0.

Все каналы передачи информации в ВМ обычно условно разделяют на внутренние и внешние. Термин «шина» чаще всего используется именно для именования внутренних каналов передачи, служащих для соединения основных компонентов системной (материнской) платы и подключения плат (карт) расширения (дочерних плат) через специальные разъемы, размещаемые на системной плате. Физически линии внутренних шин реализуются отдельными проводниками в виде полосок электропроводящего материала на монтажных платах (материнских или дочерних) либо внутренних электропроводящих дорожек на кристаллах микросхем. Некоторые шины имеют доступные извне разъемы для того, чтобы к ним можно было подключить дополнительные устройства, внешние по отношению к материнской плате. Такое подключение осуществляется посредством внешних шин, которые принято называть внешними интерфейсными соединениями или, для краткости, просто внешними интерфейсами. Внешние интерфейсы применяются для подсоединения накопителей информации, устройств ввода-вывода, сетевого оборудования и других внешних устройств. Отметим, что внешнее соединение может быть не только кабельным, но и беспроводным (подробнее о беспроводных каналах передачи информации см. в разделе 7).

При дальнейшем изложении общих понятий и физических аспектов передачи информации по шинам будет использоваться термин «шина» как для внутренних, так и для внешних шин.

В зависимости от способа передачи информации по шине различают шины последовательные и параллельные. Последовательная шина состоит из одной линии данных, при этом данные передаются по этой линии последовательно (бит за битом). Параллельная шина содержит несколько линий. Их число трактуется как разрядность («ширина») шины, которая определяет количество бит, параллельно (одновременно) проходящих через шину.

Количество информации, передаваемое по шине в единицу времени, называется ее пропускной способностью. Для параллельных шин пропускная способность обычно измеряется числом байт, передаваемых в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с), а для последовательных – числом бит в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

Современные ВМ содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Это связано с тем, что при наличии в ВМ нескольких высокоскоростных устройств, интенсивно обменивающихся между собой значительными объемами информации, но подключенных при этом к одной и той же шине, создается ситуация, когда именно пропускная способность шины становится самым «узким местом» в системе передачи информации. Для преодоления такой ситуации применяется несколько шин с разными характеристиками по пропускной способности, а, соответственно, по стоимости и сложности организации. Таким образом можно говорить об определенной иерархии шин, используемых в ВМ.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство вво­да/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, которые по сути эквивалентны транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них долж­но инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройство называют ведущи­м (bus master), то есть ведущим является то устрой­ство, которое способно взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущее устрой­ство не обязательно использует данные само. Оно, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих устрой­ств, но в любой момент времени активным может быть только одно из них: если не­сколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрыва­ются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих устрой­ств в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению ши­ной только одного из претендентов (так называемый арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного веду­щего устрой­ства передается сразу нескольким ведомым устрой­ствам (здесь арбитраж не требуется). Сиг­нал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Любая транзакция на шине начинается с выставления ведущим устройством ад­ресной информации. Адрес позволяет выбрать ведомое устройство и установить соединение между ним и ведущим. Для передачи адреса используется часть сиг­нальных линий шины – шина адреса (ША). На ША могут выдаваться адреса ячеек памяти, номера регистров центрального процессора, адреса «портов» ввода/вывода, к которым подключают периферийные устройства ввода/вывода, и т.п. Многообразие видов адресов предполагает наличие дополнительной информации, уточняющей вид, используемый в данной транзак­ции (такая информация может косвенно содержаться в самом адресе, но чаще пе­редается по специальным управляющим линиям шины). Разнообразной может быть и структура адреса. Так, в адресе может конкрети­зироваться лишь определенная часть ведомого, например, старшие биты адреса могут указывать на один из модулей основной памяти, в то время как младшие биты определяют ячейку внутри этого модуля. В некоторых шинах предусмотрены адреса специального вида, обеспечиваю­щие одновременный выбор определенной группы ведомых либо всех ведомых сразу. Такая возможность обычно практикуется в транзакциях записи (от ведущего к ведомым), однако существует также специальный вид транзакции чте­ния (одновременно от нескольких ведомых общему ведущему). Англоязычное назва­ние такой транзакции чтения «broadcall» может быть переведено как «широковещательный опрос». Информация, возвращаемая ведущему, представляет собой результат поби­тового логического сложения данных, поступивших от всех адресуемых ведомых.

Число сигнальных линий, выделенных для передачи адреса (ширина шины ад­реса), определяет максимально возможный размер адресного пространства. Это одна из базовых характеристик шины, поскольку от нее зависит потенциальная емкость адресуемой памяти и число обслуживаемых портов ввода/вывода.

Совокупность линий, служащих для пересылки данных между устройствами ВМ – шина данных (ШД) – имеет такие важнейшие характеристики, как ширина и пропускная способность. Ширина ШД определяется количеством бит информации, которое может быть передано по шине за одну транзакцию (цикл шины). Цикл шины сле­дует отличать от периода тактовых импульсов, так как одна транзакция на шине может занимать несколько тактовых периодов. Типовая ширина ШД составляет обычно 32, 64 или 128 бит. Ширину ШД выбирают кратной целому числу байтов, при­чем это число, как правило, представляет собой целую степень числа 2.

Элемент данных, задействующий всю ширину ШД, принято называть «словом», хотя в архитектуре некоторых ВМ понятие «слово» трактуется по-другому, то есть слово может иметь разрядность, не совпадающую с шириной шины данных.

В большинстве шин используются адреса, позволяющие указать отдельный байт слова. Это свойство оказывается полезным, когда желательно изменить в памяти лишь часть полного слова. При передаче по ШД части слова пересылка обычно производится по тем же сигнальным линиям, что и в случае пересылки полного слова, однако в ряде шин «урезанное» слово передается по младшим линиям ШД. Последний вариант мо­жет оказаться более удобным при последующем расширении шины данных, по­скольку в этом случае сохраняется преемственность со «старой» шиной.

Ширина ШД существенно влияет на производительность ВМ. Так, если ШД имеет ширину вдвое меньшую, чем длина команды, процессор в тече­ние каждого цикла команды вынужден осуществлять доступ к памяти дважды. Очевидно, что чем шире шина, тем выше (при прочих равных условиях) ее пропускная способность.

Применение раздельных шин адреса и данных позволяет повысить эффектив­ность использования шины, особенно в транзакциях записи, поскольку адрес ячейки памяти и записываемые данные могут передаваться одновременно.

Помимо трактов пересылки адреса и данных, неотъемлемым атрибутом любой шины являются линии, по которым передается управляющая информации и ин­формация о состоянии участвующих в транзакции устройств. Совокупность та­ких линий – это шина управления (ШУ). Сигнальные линии, входящие в ШУ, можно условно разделить на несколько групп, основными из которых являются следующие группы. Первую группу образуют линии, по которым пересылаются сигналы управле­ния транзакциями, то есть сигналы, определяющие тип выполняемой транзакции (чтение или запись), количество передаваемых по шине данных байтов (если пересылается часть слова, то какие байты), какой тип адреса выдан на шину адреса, какой протокол передачи должен быть применен. Ко второй группе относят линии передачи информации состояния (статуса), по которым ведомое устройство может информировать ведущего о своем состоянии или передать код возникшей ошибки. Третью группу составляют линии арбитража. Четвертую группу образуют линии прерывания, по которым передаются запросы на обслуживание, посылаемые от ведомых устройств к ведущему. Наконец, в каждой шине обязательно присутствуют линии, по сути являющиеся одними из важ­нейших. Это линии тактирования и синхронизации. Следует также отметить обязательные линии для подвода питающего напряже­ния и линии заземления.

В некоторых ВМ линии адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую шину адреса/данных. Такая шина функционирует в режиме разделения времени, по­скольку цикл шины разбит на временной интервал для передачи адреса и временной интервал для передачи данных. Мультиплексирование адресов и данных предполагает наличие мультиплексора на одном конце тракта пересылки информации и демультиплексора на другом его конце. Мультиплексоры и демультиплексоры играют роль коммутирующих устройств. Мультиплексирование позволяет сократить общее число линий, но требует ус­ложнения логики связи с шиной. Кроме того, оно ведет к потенциальному сниже­нию производительности, поскольку исключает возможность параллельной пере­дачи адресов и данных, что можно было бы использовать в транзакциях записи, одновременно выставляя на адресной шине адрес, а на шине данных – записываемое слово.