Периферийные устройства (стр. 16 )

В больших компьютерах (IBM-360/370, ЕС ЭВМ), работающих в мультипрограммном режиме и имеющих мощный процессор, большой емкости ОЗУ и много разнообразных ПУ, используется многомагистральная структура с выделенными каналами ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ (рисунок 3.11).

Большие ЭВМ имеют иерархическую структуру, в которой выделяется четыре уровня устройств, причем каждый уровень находится в отношении подчинения более высокому уровню.

Рисунок 3.11 - Многомагистральная структура с выделенными каналами

ввода-вывода и каскадно-магистральным подключением ПУ

На первом (верхнем) уровне располагаются центральный процессор и ОЗУ.

Устройства второго и третьего уровней – каналы ввода-вывода и устройства управления периферийными устройствами. Они предназначены для подключения периферийных устройств к центральным и управления вводом-выводом информации. КВВ делятся на мультиплексные (для подключения периферийных устройств с ограниченным быстродействием) и селекторные (для быстродействующих периферийных устройств) каналы.

Устройства третьего уровня, называемые контроллерами, производят управление работой периферийных устройств по командам и обеспечивают их стандартное сопряжение в соответствии с требованиями интерфейса ввода-вывода.

На четвертом уровне расположены периферийные устройства, являющиеся для ПЭВМ источниками и приемниками информации.

Устройства соседних уровней в иерархической структуре связаны между собой через стандартные сопряжения – интерфейсы.

3.7 Посроения ПЭВМ на основе одномагистральной структуре

Магистральная структура характерна для машин классов мини-ЭВМ (DEC PDP-11, СM ЭВМ), в том числе и для персональных компьютеров.

Эти машины строилась по одномагистральной структуре с распределенным каналом ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ (рисунок 3.12). Функции управления вводом-выводом выполнял процессор. В качестве высокоскоростного канала применялся контроллер прямого доступа к памяти.

Все устройства объединяются в систему с помощью единого канала, называемого магистралью или системной шиной.

Рисунок 3.12 - Одномагистральной структуре с распределенным каналом

ввода-вывода и радиально-магистральным подключением ПУ

Взаимодействие устройств через общую шину производится на основе принципа задатчик-исполнитель. Выбор задатчика осуществляется схемой приоритета (арбитром) процессора.

3.8 Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Персональный компьютер (ПК) состоит из отдельных модулей, объединяемых посредством системной магистрали (шины). Такой принцип организации архитектуры называется магистрально-модульным.

Структурная схема современного IBM PC-совместимого компьютера приведена на рисунке 3.13. Ядром компьютера является процессор (CPU), один или несколько, ОЗУ (RAM), ПЗУ с BIOS (ROM BIOS) и интерфейсные средства, связывающие их между собой и с остальными компонентами. На рисунке изображены лишь логические связи между этими устройствами.

Рисунок 3.13 - Структурная схема компьютера

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие черты:

-  процессор, программно совместимый с семейством x86 фирмы Intel;

-  специфическая система распределения пространства адресов памяти;

Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) (рисунок 3.14).

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств.

Рисунок 3.14 - Архитектура персональных компьютеров

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

4 Интерфейсы

4.1 Общие сведения о интерфейсах

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации различных функций.

Информационная совместимость – согласованность взаимодействия функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий.

Под электрической совместимостью понимается согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе соединительных линий интерфейса с учетом ограничений на пространственное размещение частей интерфейса и техническую реализацию приемопередающих блоков интерфейса.

Конструктивная совместимость – согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств.

В зависимости от требований унификации выделяют:

-  физическую реализацию интерфейса, т. е. состав и характеристики линий передачи, конструкцию средств их подключения (например, разъем), вид характеристики сигналов;

-  логическую реализацию интерфейса, т. е. протоколы взаимодействия, или алгоритмы формирования сигналов обмена.

Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

-  видом связи (дуплекс, полудуплекс и симплексный вид связи);

-  пропускной способностью, т. е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени;

-  максимальным допустимым расстоянием между устройствами;

-  задержками при организации передачи, которые вызваны необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами.

4.2 Классификация интерфейсов

Классификационными признаками интерфейсов являются следующие признаки.

Способ соединения компонентов системы:

-  магистральный;

-  радиальный;

-  цепочечный;

-  смешанный.

Способ передачи информации:

-  параллельный;

-  последовательный;

-  параллельно-последовательный.

Принцип обмена:

-  синхронный;

-  асинхронный.

Режим передачи информации:

-  односторонняя передача;

-  двусторонняя поочередная передача;

-  двусторонняя одновременная передача.

Приведем также классификацию интерфейсов по признакам функционального назначения, согласно которым можно выделить следующие группы интерфейсов:

-  системные интерфейсы (предназначены для организации связи между основными компонентами компьютеров и контроллеров);

-  интерфейсы периферийного оборудования (выполняют функции сопряжения с периферийным оборудованием, бывают магистральные и радиальные);

-  интерфейсы локальных и глобальных вычислительных систем.

На рисунке 4.1 показана классификация интерфейсов.

Рисунок 4.1 - Классификация интерфейсов

4.3 Организация интерфейсов

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединения устройств и использования линий.

Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельно-последовательной форме.

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линии, хотя общее число линий может быть и больше. В этом случае по дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от центрального ядра ЭВМ.

В параллельном интерфейсе передача сообщения выполняется последовательными блоками, содержащими m бит.

Каждый блок передается одновременно по m линиям; величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту.

Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых m=8 или m=16.

Разброс параметров среды интерфейса, т. е. его линий и приемо-передающей аппаратуры, вызывает неодинаковые искажения фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям Л1-Лm (рисунок 4.2). Это означает, что одновременно выданные передатчиком ПРД сигналы на Л1-Лm воспринимаются приемником ПРМ не одновременно. Такое явление называется перекосом информации.

Приемник может воспринять любую кодовую комбинацию, отличную от комбинации, передаваемой устройством ПРД. Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней, соответствующий завершению установления на входах ПРМ состояния. При этом необходимо передать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л1-Лm.

Рисунок 4.2 – Схема параллельного интерфейса

4.4 Принципы реализации интерфейса

В совокупности соединительных линий интерфейса можно условно выделить две группы:

-  информационный канал;

-  магистраль управления информационным каналом.

Основные функции интерфейса:

-  арбитраж информационного канала;

-  синхронизация обмена информацией;

-  обмен и преобразование формы представления информации;

-  буферное хранение информации (буферирование может быть, а может и не быть).

4.4.1 Арбитраж информационного канала

Арбитраж (селекция) информационного канала обеспечивает выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы посредством приоритетного разрешения внутриорганизационных конфликтов.