Тема 2.2 Распределение памяти, режим работы - Ведение два класса ЭВМ. Принцип действия ЭВМ

Тема 2.2 Распределение памяти, режим работы.

Современные технологии изготовления микросхем позволили создать чип флеш-памяти с характеристиками близкими к характеристикам чипов обычной оперативной памяти. Но, вследствие дороговизны, массовое применение флеш-памяти в широком секторе рынка пока откладывается. В вычислительных системах серверного назначения предпочитают использовать источники бесперебойного питания (с аккумуляторами) для обеспечения сохранности данных. Поэтому реально флэш-память пока применяется в портативных (и наладонных) компьютерах. Благодаря этому в таких портативных системах удается сущшественно сократить время активации (ОС может постоянно оставаться в памяти) и выключения, и тем самым сократить энергопотребление. Суть технология флеш-памяти заключается в следующем. В обычном триггере для того, чтобы полевой транзистор оставался закрытым, необходимо постоянно подавать управляющее напряжение на затвор. А для реализации энергонезависимости в ячейке флеш-памяти используется так называемый плавающий затвор. Он изолирован от самого выбирающего затвора и канала исток-сток. Поэтому, если поместить на него заряд, то он сохранится на нем долгое время. Электрическое поле, создаваемое зарядом на плавающем затворе, закроет канал исток-сток и транзистор будет закрыт.

Для того, чтобы запрограммировать такую ячейку (зарядить плавающий затвор), необходимо придать электронам достаточную кинетическую энергию, чтобы они могли туннелировать (эффект Фаулера-Нордхейла) через изолирующую пленку оксида кремния. Поэтому при программировании на выбирающий затвор подается программирующее напряжение VPP (порядка 12 В). На область стока подается промежуточное напряжение VD < VPP, а исток заземляется. По завершении цикла программирующее напряжение снимается с выбирающего затвора. После такой операции ячейка сохраняет информацию в течение нескольких лет.

При стирании ячейки выбирающий затвор заземляется, а на исток подается программирующее напряжение VPP. В результате электроны с плавающего затвора туннелируют обратно.

Раздел 3. Устройства входящие в состав ПЭВМ.
Тема 3.1. Системная шина, режим работы.
Тема 3.2. Программируемые системные устройства.
Тема 3.3. Контроллеры прерываний.
Тема 3.4. Контроллеры реального времени, клавиатуры.
Тема 3.5. Таймер.

Тема 3.6 Интерфейсы

Стандарты периферийных интерфейсов

Последовательный порт RS-232C

Порт RS-232C используется для подключения указывающих устройств (манипуляторы мышь), внешних модемов, а иногда для соединения двух машин нуль-модемным кабелем. Спецификация RS-232 была принята в качестве стандарта 1960 ассоциацией EIA, а через несколько лет (в 1969) была принята третья версия стандарта RS-232C, которая является на данный момент наиболее широко распространенной среди персональных компьютеров. В большинстве других источников заостряется внимание на том, что RS (Recomennded Standart) не патентованный стандарт, а лишь рекомендованная спецификация. Конструктивно RS-232C порт может иметь либо 9-и, либо 25-и штырьковый разъем (компьютер - розетка, утсройство - вилка). Но фактически используются только 9 контактов. Интерфейс позволяет связать только 2 (и не более) устройств. Передача данных дуплексная по двум независимым сигнальным линиям недифференциальная с одним общим проводом. Скорость передачи в данный момент ограничена 155 Кбит/сек (18,9 Kбайт/сек).



Контакты

Обозначение *

9-pin

25-pin

 

 

1

8

Carrier Detect

Несущая (вход)

2

3

Received Data

Прием данных (вход)

3

2

Transmitted Data

Передача данных (выход)

4

20

Data Terminal Ready

Готовность к приему (выход)

5

7

Signal Ground

Общий провод

6

6

Data Set Ready

Готовность к передаче (вход)

7

4

Request To Send

Запрос на передачу (выход)

8

5

Clear To Send

Запрос на прием (вход)

9

22

Ring Indicator

Индикатор звонка (вход)


В принципе, существует разделение на два типа подключаемых устройств: те, кому передаются данные (терминальные - например, компьютер), и те, которые способствуют передаче (связные - например, модем). Передача данных по последовательному интерфейсу происходит асинхронно, поэтому для корректной работы битовый поток делят на группы по 5-8 бит. Чаще всего используются режимы 7 или 8 бит на группу. Между группами выставляется маркерный бит, по которому принимающая сторона может правильно определять начало и конец.

Последовательный порт, RS-422/485

Стандарты RS-422 и RS-485 являются более скоростным продолжением порта RS-232. Для увеличения скорости передачи данных и допустимой длины соединительного кабеля используются разностная (балансная) передача сигнала, поэтому задействованы дополнительные контакты 25-и штырькового разъема. Это резко снижает воздейтсвие помех и взаимное влияние сигналов в линиях, и позволяет увеличить допустимую длину кабеля с 15 до 1000 метров. К тому же, к этим портам можно с помощью повторителей подключать до 10/32 устройств соответственно. Устройства подключаются параллельным ответвлением от основного кабеля, и совместно разделяют ресурсы шины. Интерфейс RS-422 дуплексный, а RS-485 - полудуплексный.

В домашних персональных компьютерах RS-422/485 не применяются и используются, в основном, для подключения управляемой или измерительной аппаратуры, а также для создания небольшой локальной сети.

Последовательный порт клавиатуры



Контакты

Обозначение

1

Clock

Синхронизация

2

Data

Сигнальная линия

3

Reset

Сброс, инициализация

4

GND

Общий

5

+5 V

Питание

Поначалу (машины XT) интерфейсный порт клавиатуры представлял собой последовательный однонаправленный порт. С фиксированной скоростью контроллер клавиатуры синхронно посылал поток битов компьютеру. С появлением машин класса AT клавиатурный порт, не изменив конструкции разъема, стал более походить на последовательный полудуплексный порт (прямая и обратная передача идут по одной и той же сигнальной линии). Драйвер клавиатуры AT может управлять состояниями контроллера клавиатуры, подавая ему команды (например, установить скорость повтора нажатия, включить/выключить индикаторы режима работы).

Последовательный порт PS/2



Контакты

Обозначение

1

Data

Сигнальная линия

2

Reserved

Зарезервирован

3

GND

Общий

4

+5 V

Питание

5

Clock

Синхронизация

6

Reserved

Зарезервирован

В середине 80-х IBM предложила для удобства использовать для клавиатуры и мыши унифицированный последовательный порт PS/2. В отличие от интерфейса RS-232C порт PS/2 является полудуплексным, и его разъем конструктивно отличается . Скорость обмена выше, чем в клавиатурном порте, но не выше RS-232C. Большая скорость реакции PS/2 мышей объясняется тем, что RS-232C мыши работают на стандартной скорости 9600 бит/сек, а не на максимальной.

Игровой порт, Game Port



Контакты

Обозначение

 

^ Игровой порт (обычный)

Игровой порт (с MIDI)

1

+5В

+5В

2

Джойстик А, кнопка 1

Джойстик А, кнопка 1

3

Джойстик А, ось X

Джойстик А, ось X

4

Общий

Общий

5

Общий

Общий

6

Джойстик А, ось Y

Джойстик А, ось Y

7

Джойстик А, кнопка 2

Джойстик А, кнопка 2

8

+5В

+5В

 







9

+5В

+5В

10

Джойстик Б, кнопка 1

Джойстик Б, кнопка 1

11

Джойстик Б, ось X

Джойстик Б, ось X

12

Общий

MIDI вход (RxD)

13

Джойстик Б, ось Y

Джойстик Б, ось Y

14

Джойстик Б, кнопка 2

Джойстик Б, кнопка 2

15

+5В

MIDIвыход (TxD)

Игровой порт дает возможность подключать к компьютеру одновременно до двух аналоговых джойстиков, которые имеют две кнопки (а можно подключить один четырехкнопочный). Но в данном случае "периферийное устройство" способно лишь изменять потенциометрами уровень падения напряжения на 3/6 или 11/13 контактах и замыкать 2/7 или 10/14 контакт на общий провод. О скорости обмена говорить тут не имеет смысла, так как все зависит не от самого "устройства", а от скорости работы контроллера порта. "Музыкальная" модификация игрового порта на звуковых платах позволяет подключать к компьютеру MIDI устройства. Передача данных двунаправленная по двум сигнальным линиям. Ну а вопрос скорости обмена по MIDI интерфейсу оставим за рамками нашего обзора J.


Последовательный инфракрасный порт, SIR (Serial InfraRed port)

В силу своей конструкции, в которой используется источник света и фотодатчик, инфракрасный порт - последовательный. Для передачи информации соединительные кабели не используются, поэтому взаимодействие устройств происходит на небольшом расстоянии и при условии "прямой видимости". В июне 1994 года ассоциация IrDA (Infrared Data Association) опубликовала спецификацию последовательного ИК-порта. В домашнем компьютере на большинстве материнских плат имеется разъем для подключения ИК-порта (сам порт продается отдельно), скорость передачи в данном случае почти такая же, как и у RS-232C (от 2,4 до 115 Кбит/сек). Передача данных идет асинхронно в обоих направлениях, и для обнаружения ошибок используется циклический код CRC-8 в коротких пакетах и CRC-16 - в длинных.

В октябре 1995 IrDA предложила следующую версию ИК-порта, работающего со скоростью до 4 Мбит/сек в пределах 1-2 метров видимости. В данном случае обмен данными происходит синхронно, а для обнаружения ошибок уже используется CRC-32. Некоторые производители предлагают свои оригинальные разработки ИК-портов (для сканеров и принтеров), которые способны передавать данные на скорости от 2 до 16 Мбит/сек. Инфракрасный порт несколько специфичен для России, поэтому его можно встретить разве что в беспроводных клавиатурах, джойстиках и интерфейсах мобильный телефонноутбук.

Параллельный порт, Centronics



Контакты

Обозначение *

1

Strobe

Маркер цикла передачи (выход)

2

Data 1

Сигнал 1 (выход)

3

Data 2

Сигнал 2 (выход)

4

Data 3

Сигнал 3 (выход)

5

Data 4

Сигнал 4 (выход)

6

Data 5

Сигнал 5 (выход)

7

Data 6

Сигнал 6 (выход)

8

Data 7

Сигнал 7 (выход)

9

Data 8

Сигнал 8 (выход)

10

Acknlg

Готовность принять (вход)

11

Busy

Занят (вход)

12

Paper End

Нет бумаги (вход)

13

Select

Выбор (вход)

14

Auto Feed

Автоподача (выход)

15

Error

Ошибка (вход)

16

Init

Инициализация (выход)

17

Select In

Управление печатью (выход)

19-25

GND

Общий


Параллельный порт типа Centronics, используемый с 1981 года в персональных компьютерах фирмы IBM для подключения печатающих устройств, уже давно стал стандартом де-факто, хотя в действительности официально на данный момент он не стандартизован. Порт имеет 25-и штырьковый 2-х рядный разъем, данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его назвать нельзя. Так 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерёдного использования нескольких устройств требуется дополнительно применять селектор.

Передача данных происходит асинхронно, поэтому скорость обмена может варьироваться. Длина соединительного кабеля не должна превышать 3-х метров, и скорость передачи данных ограничена 1,2 Мбит/сек. Используется для подключения, в первую очередь принтеров, а также других управляемых устройств.

Параллельный порт, IEEE 1284,
(EPP/ECP, EPP - Enhanced Parallel Port, ECP - Extended Compatibility Port)

Данная спецификация добавляет новые возможности для подключения внешних устройств к параллельному порту. Разъем порта конструктивно такой же, как у Centronics. Утвержденный в 1994 году стандарт IEEE 1284 обязывает контроллер параллельного порта быть способным работать на большей скорости, организовывать очередь буферизации данных и поддерживать несколько режимов работы. Режим совместимости с Centronics 8 бит/такт (передача в одну сторону), Nibble/Byte режим только для обратной передачи 4/8 бит/такт соответственно, и двунаправленные (полудуплексные) режимы передачи EPP и ECP. Режим EPP при передаче данных использует обоюдные подтверждения, это позволяет прозрачно подстраивать скорость обмена, а также дает возможность увеличить допустимую длину кабеля.

Режим ECP был предложен чуть позже EPP. Главное отличие заключается в том, что, если периферийное устройство умеет упаковывать/распаковывать данные по алгоритму RLE (удобно для передачи изображений), то обмен будет происходить со сжатием данных на ходу, и фактическая скорость обмена будет выше (в 2-50 раз). Используется для подключения принтеров, сканеров, внешних накопителей.

Порт универсальной последовательной шины, USB (Universal Serial Bus)

Контакты

Обозначение

1-2

Data (Twisted Pair)

Сигнальная линия

3-4

+5 V

Питание и общий провод





Спецификация USB была разработана в 1995 году альянсом Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom, основной задачей которого было создать высокоскоростной (до 12 Мбит/сек) универсальный последовательный порт, способный подключать несколько устройств через концентраторы с активной инициализацией подключения, не требующей перезагрузки компьютера. Это требование удачно укладывается в концепцию Plug&Play, позволяя шине производить автоматическую настройку (не надо распределять номера прерываний, отпадает лишняя "головная боль" у пользователя). Во время подключения/отключения устройства шина USB производит пересчет активных устройств и назначение каждому логического номера. USB-порт, к тому же, способен запитывать подключаемое устройство, если оно не имеет своего блока питания. Таким образом, появляется возможность сократить размеры маломощных (до 2,5 Вт) USB-устройств. Для предотвращения перегрузки питания предложено всем концентраторам, которые самостоятельно включаются в электрическую сеть, запитывать подключаемые к ним устройства. USB-кабель содержит 4 проводника: 2 - витая пара, питание 5 В и общий провод. Таким образом, устройства разделяют одну сигнальную линию. Для коррекции одиночных ошибок на линии используется циклический код CRC. Помимо общего канала шириной в 12 Мбит/сек в USB имеется так называемый "подканал" шириной в 1,5 Мбит/сек для медленных устройств, таких как клавиатура, мышь, джойстик, перо и т.д. Это позволяет снизить стоимость медленных USB портов в этих устройствах, поскольку более высокая скорость для таких устройств не нужна. Всего, благодаря концентраторам, USB способна объединить в одну сеть до 127 устройств одновременно.

USB версии 2.0 обладает значительно большей пропускной способностью (до 240 Мбит/сек). Для совместимости с USB 1.1 новый порт способен работать в нескольких режимах. При подключении только высокоскоростных устройств шина работает в режиме USB 2.0, а если подключено устройство, не способное работать на такой скорости, шина снижает рабочую частоту до приемлемой данным устройством. Несмотря на некоторую вялость на нашем рынке, на западе USB с успехом заменяет и последовательный RS-232C порт и параллельный IEEE 1284. Удобство универсальной шины очевидно, поэтому благодаря USB скоро уйдёт в прошлое большое разнообразие портов на задней стенке нашего персонального компьютера.


Последовательный высокоскоростной порт FireWire, IEEE 1394





Контакты

Обозначение

1-2

Data (Twisted Pair)

Сигнальная линия (вход)

3-4

Data (Twisted Pair)

Сигнальная линия (выход)

5-6

+8 V

Питание и общий провод

Ни один из существовавших ранее стандартов внешних портов не позволял в реальном времени передавать видеоряд. Поэтому таким устройствам, как миниатюрные цифровые телекамеры, приходилось использовать свои собственные оригинальные интерфейсные платы. Пользователю от этого удобнее не было. Еще в 1986 году фирма Apple разработала цифровой интерфейс 1394, названный FireWire. И только в 1995 году его следующая версия была стандартизована как IEEE 1394. Свое название "Fire on the Wire" шина получила за свою высокою скорость 100 Мбит/сек. В дальнейшем стандарт был расширен, и рабочая скорость увеличилась до 400 Мбит/сек (для сравнения: передача видео 640x480 x 30 кадров x 3 байт/пиксел образует поток в 210 Мбит/сек). Аналогично USB, FireWire способна запитывать подключаемое устройство (8-40 В -, до 1,5 А), и подключение устройств можно производить на ходу (hot-plug). Разъем имеет 6 контактов: 4 - 2 витых пары для двунаправленного обмена, 2 - питание. Для не требующих питания устройств можно применять более экономичные 4-жильные кабели. В качестве системных устройств шины IEEE 1394 могут служить повторители, концентраторы и мосты. Такое разнообразие, по сравнению с USB, делает шину FireWire несколько гибче. Ограничение на количество подключенных устройств на одной сигнальной линии (до 63) и максимальное количество промежуточных узлов на пути запроса от одного устройства до другого (до 16) накладывает дополнительные условия на топологию шины. Но благодаря мостам имеется возможность объединять отдельные независимые сегменты шины. Всего с помощью мостов можно объединить до 1000 (!) разных сегментов в общую сеть на основе FireWire.

Передача данных в IEEE 1394 может происходить как в асинхронном, так и в синхронном режиме с заданной гарантированной скоростью передачи данных (очень важно для передачи в реальном времени: звук, видео). Если устройство должно работать в синхронном режиме, оно резервирует для себя определенное место в кадре данных (длина кадра равна 125 мсек). Для этого рабочий квант времени передачи делится на зарезервированные участки и на остальное - для асинхронной передачи. Интерфейс FireWire уже несколько лет применяется в цифровых (профессиональных и бытовых) видео- теле- камерах, магнитофонах и фотоаппаратах, которые можно самостоятельно соединять между собой без участия компьютера, благодаря возможностям IEEE 1394, и осуществлять цифровой видеомонтаж в реальном времени. Существует и Гигабитный вариант IEEE 1394.2, в котором используется оптоволоконный соединительный кабель.

SCSI интерфейс (Small Computer System Interface)

В конце 70-х годов ассоциация Shugart Associates разработала спецификацию параллельной шины SASI (Shugart Associates Standard Interface). На основе нее в 1986 году комитет X3T9 разработал SCSI-интерфейс. Как уже отмечалось выше, интерфейс SCSI используется как во внутренних устройствах, так и во внешних. Интересно отметить, что, по сути, контроллер SCSI позволяет не просто соединить устройства, а формирует своеобразную универсальную шину на системном уровне. Это позволяет устройствам производить обмен друг с другом, минуя центральный процессор. SCSI интерфейс позволяет подключать одновременно до 7 устройств к одному контроллеру, а последние модификации - до 15. Каждое подключенное устройство получает свой номер, начиная с 0, а последний резервируется за контроллером. Данные передаются параллельно по нескольким сигнальным линиям (8-16). Стандарт определяет два типа физического соединения. Для надежной передачи используется разностный сигнал, то есть каждая сигнальная линия представляет собой витую пару, изолированную от общего провода. Такой способ требует дорогого оборудования (много проводников в одном кабеле), но зато позволяет использовать длинные до 25 метров соединительные кабели. При обычном способе длина ограничивается 6 метрами. Для предотвращения ошибок при передаче применяется модификация кода CRC, которая определяет одиночные, двойные, групповые (до 32) и другие типы ошибок. Кабель представляет собой плоский шлейф, имеющий 50-ти или 68-контактный разъем (одна из последних модификаций имеет 80 контактов). Большое количество версий SCSI-интерфейса является следствием его бурной эволюции.



^ Сравнение пропускной способности

Порт

Пропускная способность

 

Мбит/сек

Мбайт/сек

RS-232C

0,148

0,018

Centronics

1,2

0.150

RS-422/RS-485

10

1,125

USB 1.1

12

1,5

ECP/EPP

24

3

EIDE (Fast ATA)**

26,4 - 133,6

3,3 - 16,7

SIR

32

4

SCSI (8-бит)

40

5

Fast SCSI (16-бит)

80

10

USB 2.0

120 - 240 (480) ***

15 - 30 (60)

Fast Wide SCSI (16-бит)

160

20

EIDE Ultra ATA-33**

264

33

Ultra SCSI (SCSI-3) (16-бит)

320

40

FireWire (1394)

400

50

EIDE Ultra ATA-66**

528

66

Ultra2 Wide SCSI (16-бит)

640

80

Ultra3 SCSI (16 бит)

1280

160

** - для сравнения

*** - окончательная спецификация USB 2.0 пока еще не утверждена

3623313865124082.html
3623374063439182.html
3623541189399635.html
3623681968996472.html
3623777495783426.html