Стандарти підключення пристроїв ЄОМ

Для підключення внутрішніх і зовнішніх пристроїв ЄОМ до мостів шини PCI використовують такі основні шини й інтерфейси:

· шину AGP;

· шину USB;

· шину IEEE 1394 (Fire Wire)

· інтерфейс IDE (ATA);

· інтерфейс SCSI;

· паралельний порт;

· послідовний порт;

· порт PS/2;

Шина AGP. Незважаючи на велику швидкість шини РСІ, її можливостей стає недостатньо в умовах зростаючого навантаження на відеосистему (відео адаптер і монітор), оскільки реалізація тривимірної графіки і відео даних потребують передавання великих обсягів даних між монітором, процесором і оперативною пам’ятьттю. Тому використовують шину AGР (Accelerated Graphics Port – прискорений графічний порт) – канал передавання даних між відео адаптером і RAM фірма Intel у у 1997 р., розробила на основі стандарту РСІ. АGP стандарт призначено для прискорення виведення даних на відео адаптер і підвищення продуктивності комп’ютера у процесі оброблення тривимірних зображ ень без установлення спеціалізованих дорогих відео адаптерів.

Оскільки шина AGP 32 – розрядна і її тактова частота дорівнює тактовій частоті системної шини, то в стандартному режимі її пропускна здатність 266 Мбайт/с у два перевищує пропускну здатність шини РСІ.

Для підвищення пропускної здатності шини розроблено режим АСРХ2, у якому дані передаються в два рази швидше (532 Мбайт/с). Це досягається за рахунок збільшення тактової частоти відеопроцесора в два рази і можливості керувати зчитуванням-записуванням даних по фронтах і зрізах тактових імпульсів, що дозволяє виконувати дві операції за один такт роботи шини AGP.

У 1998 р. корпорація Іntel розробила нову специфікацію (АGР 2.0) стандарту АGР. Швидкість передавання даних (у режимі Х4) була збільшена ще в два рази порівняно з режимом Х2 і досягла 1064 Мбайт/с. Це більше від пропускної здатності 64-розрядної системної шини, що працює на частотах 66 і 100 МГц. Результатом подальшого розвитку стандарту AGP є режим AGP8Х (специфікація AGP 3.0), у якому пропускна здат­ність збільшилася до 2 Гбайт/с.

 

 

Рис.1.8. Взаємодія між пристроями, підключеними до материнської плати за допомогою шини РСI

 

Одна з основних особливостей стандарту AGP - здатність розділяти RАМ між цен­тральним процесором і відеоадаптері тобто оброблення тривимірних зображень може виконувати в RАМ, як центральний процесор, так і процесор у відеоадаптері.

Шина USВ. Висока швидкість передавання даних дозволяє підключати до комп'ютера по інтерфейсу USВ принтери, сканери й зовнішні пристрої пам'яті, а також обмінюватися даними між комп'ютерами.Шина USВ забезпечувала швидкість обміну даними 1,5 Мбіт/с з довжиною кабелю до 3 м. Пізніше було прийнято специфікацію USВ 1.1, за якою швидкість передавання збільшилась до 12 Мбіт/с,

Специфікація послідовної універсальної шини USВ (Universal Serial Bus), розроблена в 1995 р. для підключення низькошвидкісних зовнішніх пристро­їв типу клавіатури і «мишки», забезпечувала швидкість обміну даними 1,5 Мбіт/с з довжиною кабелю до 3 м. Пізніше було прийнято специфікацію USВ 1.1, за якою швидкість передавання збільшилась до 12 Мбіт/с, а максимальна довжина кабелю -до 5 м. У новій версії специфікації USВ-USВ 2.0, названій також високошвидкісною USВ (Ніgh 8рееd USВ), швидкості обміну даними по шині становлять 1,5 Мбіт/с (low speed - низька швидкість), 12 Мбіт/с (full speed - повна швидкість) і 480 Мбіт/с (high speed - висока швидкість). Специфікація USВ 2.0 підтримує зворотну сумісність зі специфікацією USВ 1.1.

Розробленням специфікацій USB і ліцензуванням пристроїв на відповідність цим специфікаціям займається форум конструкторів USВ - USВ-ІР (USВ Ітрlетеntеrs Forит),у який входять провідні фірми з галузі комп'ютерів і телекомунікацій.

До комп'ютерів, обладнаних шиною USВ, можна підключати периферійні пристрої (клавіатуру, «мишку», джойстик, принтер й ін.), не вимикаючи живлення (так зване «гаряче» підключення). Під час підключення пристрою йому автоматично привласню­ється унікальний ідентифікаційний номер. Шина USB також подає електроживлення на ввімкнені в неї пристрої, але деякі пристрої (наприклад, жорсткі диски) можуть використовувати й автономне підключення до джерел електроживлення.

Пристрої підключають до комп'ютера за ієрархічною схемою. До центрального пристрою (комп'ютера) можна підключати як пристрої, так і концентратори, а до концентраторів USВ, в свою чергу, - інші пристрої й концентратори. Максимальна кількість пристроїв, які можна підключати, - 127 (включаючи концентратори), насправді ж ця кількість значно менша, оскільки сумарна швидкість передавання даних цими пристроями не повинна перевищувати максимальну швидкість передавання шини (12 Мбайт/с для USВ 1.1 і 480 Мбіт/с для USB 2.0).

Обмін даними між комп'ютером і пристроєм з використанням шини USВ може виконуватися в одному із чотирьох режимів:

1)режимі ізохронного передавання, за якого дані передаються з постійною швидкістю в режимі реального часу (без затримок), але з можливими втратами даних (використовується для обміну аудіо- і відеоданих);

2)режимі передавання з перериваннями (використовується для пристроїв, що потребують мінімальної затримки під час передавання даних, наприклад, «мишки» і клавіатури);

3)режимі передавання більших обсягів даних - можливо із затримками, але без втрат (використовується під час обміну файлами).

4)командному режимі (по шині USB пересилаються команди керування передаванням).

Усі операції з передавання даних по шині USB ініціюються й виконуються під керуванням комп'ютера.

Розніми на кінцях кабелю USB, що з'єднує два пристрої, мають бути різних типів: на кінці розніму типу А (прямокутний рознім) та на кінці розніму типу В (квадратний рознім).

Для приєднання кабелю USB до комп'ютера або до концентратора використовується рознім типу А, а для приєднання кабелю до пристрою або концентратора на нижчому рівні ієрархії - рознім типу В.

Шина ІЕЕЕ 1394 (FireWire). Технологію FireWire («вогнепровід») розробила фірма Аррlе для підключення до комп'ютера високошвидкісних периферійних пристроїв (жорстких дисків і цифрових відеокамер) на заміну інтерфейсу SCSІ. У1995 р. цю технологію затвердив як специфікацію шини ІЕЕЕ 1394 Інститут інженерів з електротехніки й електроніки в США. У 2000 р. як доповнення до специфікації ІЕЕЕ 1394 випущено специфікацію ІЕЕЕ 1394а, у якій уточнено й удосконалено деякі розділи. Розробленням специфікацій ІЕЕЕ 1394 і ліцензуванням продуктів згідно з цією специфікацією займається Торговельна асоціація 1394 - 1394 ТА (1394 Trade Association).

Спочатку шина ІЕЕЕ 1394 підтримувала швидкості обміну даними 100,200 та 400 Мбіт/с (цей стандарт називають також FireWire400, а режими з різними швидкостями - S100,S200 й S400). Чотири проводи шини (дві виті пари) передають команди і дані, а два - забезпечують електроживлення потужністю 45 Вт. Фірма Sопу розробила для своїх відеокамер чотирипроводову шину ІЕЕЕ 1394, названу шиною і.Lіпk (ця шина не містить проводів електроживлення). Розніми для кабелів цієї шини називаються рознімали і.Lіпk.

Для передавання сигналів без спотворень довжина стандартного кабелю, що з'єднує комп'ютер і периферійний пристрій, має не перевищувати 4,5 м.

У 2002 р. було розроблено ще одне доповнення до специфікації ІЕЕЕ 1394 - специфікацію ІЕЕЕ 1394b. Цією специфікацією уведено додаткові швидкості обміну даними -800 Мбіт/с, 1,6 і 3,2 Гбіт/с, а в 2003 р. фірма Аррlе випустила нову версію FireWire - FireWire800 з максимальною швидкістю передавання 800 Мбіт/с (S800). Для цієї версії FireWire застосовують шину з дев'ятьма проводами, а відповідний рознім називають Веtа-рознімом. Крім цього, для з'єднання дев'ятипроводового кабелю із шестипроводовим застосовують Вilingual-рознім («двомовні» розніми). Розніми для з'єднання двох шестипроводових кабелів названо в специфікації 1394b Legaсу-рознімами («успадкованими» рознімами). Існують також кабелі, що з'єднують пристрій з Legacy-рознімом і пристрій з рознімом і.Lіпk.

Додаткові схеми.

До системної шини та МІГ можуть бути підключені також деякі додаткові плати з інтеграль­ними мікросхемами, що розширюють і поліпшують її функціональні можливості: математичний співпроцесор, контролер прямого доступу до пам'яті, співпроцесор введення-виведення, контролер переривань та інш.

Плати розширення. Так називають електронні прист­рої, відсутні в первинній комплектації комп'ютера, їх за­стосовують для збільшення його потужності або розши­рення функціональних можливостей, хоча з точки зору конструкції контролери та плати розширення — часто од­не й те саме.

Контролер прямого доступу до пам 'яті звільняє МП від прямого керування накопичувачами на магнітних дисках, що істотно підвищує ефективну швидкодію ПК. Без ньо­го обмін даними між ЗЗП та ОЗП здійснюється через регістри МП, а з ним цей обмін відбувається безпосеред­ньо, тобто минаючи МП.

Співпроцесор введення-виведення завдяки паралельній роботі з МП значно прискорює виконання процедур вве­дення-виведення інформації при обслуговуванні кількох зовнішніх пристроїв (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД та інш.), звільняє МП від процедур введення-виведення, в тому числі реалізує режим прямого доступу до пам'яті.

Найважливішу роль відіграє в ІТК контролер переривань. Переривання — це тимчасове припинення виконання однієї програми з метою оперативного виконання іншої, * важливішої (пріоритетної) в певний момент програми. Пе­реривання виникають при роботі комп'ютера постійно. До речі, всі процедури введення-виведення інформації виконуються за перериваннями. Наприклад, переривання від таймера виникають й обслуговуються контролером пе­реривань 18 разів за секунду (звичайно, користувач їх,не помічає).

Контролер переривань обслуговує процедури перери­вання, приймає запит на них від зовнішніх пристроїв, ви­значає рівень пріоритету цього запиту і видає сигнал пере­ривання в МП, який, одержавши цей сигнал, припиняє виконання поточної програми, переходячи на виконання спеціальної програми обслуговування того переривання, яке запитало зовнішній пристрій. Після завершення про­грами обслуговування відновлюється виконання перерва­ної програми. Контролер переривань є програмованим.

Показана на рис. 2.2 структурна схема ПК є спроще­ною. Вона стосується першого та частково другого по­колінь ПК (РС, ХТ і перші машини класу АТ), відрізня­ючись від структурних схем сучасних ПК передусім ре­алізацією внутрімашинного системного інтерфейсу.

У застарілих ПК, як системний інтерфейс застосовува­лася системна шина (це й відображено на рисунку). В су­часних обчислювальних системах використовують інші схеми. Сучасні ПК характеризуються:

• стрімким зростанням швидкодії процесорів (уже МП Рептіум першого покоління теоретично може вида­вати дані зі швидкістю 528 Мбайт/с по 64-розрядній шині даних, і це всього при тактовій частості шини 66 МГц);

• зростанням швидкодії інших пристроїв (так, для відображення цифрового повноекранного відео пропускна здатність відеопідсистеми має становити 22 Мбайт/с);

• появою програм, що потребують виконання великої кількості інтерфейсних операцій (програми оброб­лення графіки у \Уіпсіо\У5, роботи з тиШтесІіа-додатками).

За цих умов пропускна здатність шини розширення, що обслуговує відносно повільні пристрої, неповною мірою узгоджується з роботою швидкодійного ЦП, опера­тивної та кеш-пам'яті. Розробники, пройшовши кілька етапів (шина І8А, ЕІ5А, локальна шина УЕ5А), реалізува­ли приблизно таку схему внутрімашинного інтерфейсу ПК, яку показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема реалізації внутрімашинного інтерфейсу

Процесор, оперативна- і кеш-пам'ять сполучені між собою найшвидкодійнішою та найширшою шиною (66— 133 МГц, 64 біт). Саме цю ділянку ПК називають сист­емною шиною. Мікросхеми чіпсету надвеликої інтегральної схеми (НВІС) керування на системній платі виконують функції мостів (Ьгіdqe) між шинами з більшою і меншою пропускними здатностями. Окремо виділяється спеціальна шина АQР, призначена для підключення єдиного, але "найненаситнішого" споживача пропускної здатності шини — відеоадаптера.

Ефективність роботи ЄОМ.

Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це — набір інструкцій (команд), які ЕОМ здатна розуміти і виконувати; швидкість роботи (швидкодія) ЦП; кількість пристроїв введення-виведення (периферійних пристроїв), які можна приєднати до неї одночасно; спо­живання електроенергії та ін. Головним показником є швидкодія — кількість операцій, яку ЦП здатний викона­ти за одиницю часу. На практиці користувача більше цікавить продуктивність ЕОМ — показник її ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціону­вати, а розв'язувати поставлені задачі.

Прагнення розробників і користувачів до підвищення продуктивності ЕОМ спричиняє принципове і конструк­тивне вдосконалення елементної бази, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі про­цесорів, запам'ятовуючих пристроїв, принтерів і т.інш. Про­те швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та об­меження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники ЕОМ шукають вирішення цієї проблеми вдоскона­ленням схемних рішень, тобто архітектури ЕОМ.

Так з'явилися багатопроцесорні ЕОМ, в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продук­тивність комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей про­цесорів. Такий комп'ютер має багатопроцесорну архітекту­ру. У потужних комп'ютерах для складних інженерних роз­рахунків і САПР, а також для виконання робіт, пов'язаних з комп'ютерною графікою, часто встановлюють два або чо­тири процесори. В надпотужних ЕОМ (такі машини мо­жуть, наприклад, моделювати ядерні реакції зі швидкістю природного процесу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.

Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії ОЗП. Тому постійно ведуться пошуки еле­ментів для ОЗП, які потребували б якомога.менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією різко зростає вартість елементів пам'яті, тому побудова ОЗП потрібної ємності на швидких елементах неприйнятна економічно. Проблема вирішується побудовою бага­торівневої пам 'яті. ОЗП складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (кеш-пам'ять) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких АЛП звертається найчастіше, містяться в кеш-пам'яті; більший обсяг оперативної інформації збері­гається в основній пам'яті. Розподілом інформації між складовими частинами ОЗП керує спеціальний блок про­цесора. Ємність ОЗП і кеш-пам'яті належить до найваж­ливіших характеристик ЕОМ.

Раніше роботою пристроїв введення-виведення керу­вав ЦП, що займало в нього чимало часу. Архітектура су­часних ЕОМ передбачає передачу більшості функцій ке­рування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує ЦП і підвищує його продук­тивність.

Класифікація ЕОМ

Номенклатура видів ЕОМ на сьогодні величезна: ма­шини розрізняються за призначенням, потужністю, розмірами, елементною базою, стійкістю до впливу не­сприятливих умов і т.інш. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. При виборі комп'ютерної техніки для розв'язання економічних і ділових задач найважливішими є продуктивність та габаритні характеристики (розміри, маса). Ця класифікація певною мірою умовна, оскільки розвиток комп'ютерної науки і техніки настільки стрім­кий, що, наприклад, сьогоднішня мікро-ЕОМ не посту­пається за потужністю міні-ЕОМ п'ятирічної давності і навіть суперкомп'ютерам віддаленішого минулого.

Прийняту на сьогодні класифікацію ЕОМ за масо габаритними даними наведено в табл. 2.1. Клас персональ­них ЕОМ складається з різноманітних видів машин І то­му заслуговує на окрему класифікацію (табл. 2.2).

Зарахування машин до певного класу досить умовне як через нечіткість розмежування груп, так і внаслідок впровадження в практику замовного складання машин, коли номенклатуру вузлів ПК і конкретні моделі їх адап­тують до вимог замовника. Крім масо габаритних характе­ристик, на зарахування комп'ютера до певного класу впливають: розрядність та кількість процесора(ів), розрядність і стандарти інших пристроїв (системної та інтер-фейсної шин, контролерів), ємність накопичувачів, технічні характеристики периферійних пристроїв та ін. Проте навіть розрядність ЦІЇ не є сталим критерієм. Так, на початку 80-х років XX ст. 32-розрядними були проце­сори для міні-ЕОМ та (рідше) робочих станцій, в останні роки процесори для ПК є 32-розрядними і навіть викори­стовують елементи 64—256-розрядної архітектури.

Вартість портативного ПК в два − п'ять разів вища, ніж настільного, який має такі самі основні параметри (ємність оперативної пам'яті, тип процесора, ємність жорсткого диска та ін.). Різницю в ціні зумовлюють мініатюризація відображального пристрою — рідкокрис­талічного дисплея, а також висока вартість портативних периферійних пристроїв. Крім того, портативні комп'юте­ри не повністю апаратно сумісні з моделями інших вироб­ників.

За основними напрямами застосування ПК поділяють на три типи: домашні (побутові), офісні (ділові) та про­фесійні.

Побутові ПК призначені для автоматизації побутової сфери діяльності людини: ведення сімейних баз даних (довідників, архівів, щоденників), проведення навчання, і т. інш.

Офісні ПК орієнтовані на автоматизацію конторської праці: складання, редагування та оформлення текстів; ведення баз даних; ділового листування; виконання таб­личних обчислень; роботу з графічною інформацією. Мають характеристики не нижчі від середніх і відповід­ну комплектацію (принтери, модеми, мережні карти, сканери та ін.).

Професійні ПК призначені для автоматизації праці інженерів і наукових працівників у САПР та автоматизо­ваних системах наукових досліджень. Часто мають високі характеристики основних пристроїв і необхідний набір висококласних спеціалізованих пристроїв (наприклад, ду­же великий монітор, графопобудовник, професійний ска­нер, цифрову камеру і т. інш.).

Системи числення

Існують різні способи переведення чисел з однієї системи числення в іншу. Розглянемо загальні правила переведення чисел з однієї позиційної системи числення в іншу.

Переведення цілого числа з десяткової системи числення в систему з основою S здійснюється послідовним діленням його на основуS нової системи числення доти, доки частка буде меншою від S. Число в новій системі запишеться у вигляді остачі ділення, починаючи з останнього.

Переведення правильного дробу (меншого за 1) з десяткової системи числення в систему з основою S здійснюється послідовним множенням її на основу S, при цьому перемножуються тільки дробові частини отриманих добутків, починаючи з першого.

Для переведення неправильного дробу (більшого за 1) потрібно виконати окремо переведення цілої і дробової частин.

Операції ділення і множення виконуються в десятковій с системі числення.

Для переведення чисел із системи числення S у десяткову систему числення зручніше скористатися формулою (2.1). Оскільки основи вісімкової і шістнадцяткової систем числення відповідають цілим степеням числа 2 (8=2³; 16=2⁴), для них застосовують прості правила переведення в двійкову систему числення і навпаки. Кожні три цифри двійкового числа перетворяться в одну цифру вісімкового числа (якщо довжина двійкового числа не кратна трьом, спочатку додається відповідна кількість нулів). У разі оберненого перетворення кожна цифра вісімкового числа перетвориться в три двійкові цифри.

Аналогічно виконується взаємні перетворення шістнадцяткових і двійкових чисел, за винятком того, що число двійкових цифр дорівнює чотирьом.

Приклад 2.1

1. Преведення числа 377₁₀ у шістнадцяткову систему числення:

377:16=23 (остача 9); 23:16=1 (остача 7); 1:16=0 (остача 1).

Результат: 179₁₆.

2. Переведення дробу 0,6875∙8=5,5000 (5); 0,5000∙8=4,000 (4).

Результат: 0,54₈.

3. Переведення числа FCA1₁₆ у десяткову систему числення:

FCA1₁₆=15∙16³+12∙16²+10∙16¹+1∙16⁰=61440+3072+160+1=64673₁₀.

4.Переведення числа 1111111₂ у шістнадцяткову систему числення:

1111111₂=0111 1111=7F₁₆.

5. переведення числа 9C8₁₆ у двійкову систему числення:

6С8₁₆=0110 1100 1000= 11011001000₂.

Арифметичні операції в системі числення S виконуються так само, як і в десятковій системі, але треба враховувати, що у разі додавання і множення одиниця переводиться в старший розряд, коли сума чи добуток чисел більші від основи S. У разі віднімання в старшому розряді починається позичається кількість одиниць, що також дорівнює основі S.

Приклад 2.2

1. Додавання шіснадцяткових чисел:

12А₁₆+ С48₁₆=D72₁₆;

А₁₆+8₁₆=12₁₆ (перенесення одиниці у старший розряд);

2₁₆ +4₁₆ +1 (з молодшого розряду)=7₁₆;

1₁₆+ С₁₆=D₁₆;

2₁₆+ 10₁₆ (зі старшого розряду)- 8₁₆=А₁₆;

4₁₆- 1₁₆ (розряд) +10₁₆ (зі старшого розряду) -3₁₆=7₁₆.

 

Формати подання даних

Будь-яка інформація (числа, команда, алфавітно- цифрові записи і т.ін.) подається в комп’ютерах у вигляді двійкових кодів. Окремі елементи двійкового коду, що набувають значення 0 чи 1, називають розрядами чи бітами.

У старих комп’ютерах, призначених для обчислювальних задач, мінімальною одиницею інформації, доступною для оброблення, була комірка. Кількість розрядів у комірці орієнтовано на подання чисел і вона різна у різних комп’ютерах (24 біт, 48 біт і т.інш.).