Организация подсистемы ввода-вывода эвм. управление внешними устройствами. виды интерфейсов. интерфейсы внешних устройств

6.4. Поддержка асинхронного адаптера в BIOS

Мы опишем функции BIOS, облегчающие обслуживание
двух асинхронных адаптеров, COM1 и COM2. Эти функции
доступны через прерывание INT 14h.

Первая функция предназначена для
инициализации портов асинхронного адаптера:

При вызове этой функции регистр AL должен
содержать параметры инициализации:

После вызова функции в регистр AH записывается
состояние порта асинхронного адаптера:

Регистр AL содержит байт состояния модема:

Для передачи байта используется следующая
функция:

Функция 02h предназначена для приема байта:

Состояние порта асинхронного адаптера можно
узнать с помощью функции 03h:

Шина данных это система передачи информации в ПК

Шина данных это одна из самых важных шин, из-за необходимости которой собственно и формируется вся остальная система. Численность имеющихся у нее разрядов указывает на скорость и производительность обмена данными, кроме этого определяет наибольшее число выполняемых команд. Шина данных это устройство, которое передает данные всегда в двух направлениях.

1. Центральный процессор
2. Графический адаптер
3. Система оперативной памяти (ОЗУ)

Но все-таки эти модули, даже в комплексе не будут выполнять тех функций, которые от них требуются. Для того, чтобы все компоненты функционировали как положено, среди них создается взаимосвязь, с помощью которой будет выполняться необходимые вычислительные и другие операции. Средства связи такого рода создают именно компьютерные системные шины. Следовательно, можно утверждать, что данный компонент является крайне необходимым элементом в компьютерном блоке.

Компьютерная шина

Компьютерная шина – это электронная магистраль предназначенная для передачи информации между функциональными модулями компьютера. Такими как: центральный процессор, графический адаптер, винчестер, ОЗУ и остальными устройствами. Данная система включает в себя некоторое количество других шин, в частности: шины адреса, шина данных, кстати их может быть несколько, и шина управления.

Основное деление компьютерных шин

Отличие шин друг от друга базируется на нескольких моментах. Главным признаком считается Первенствующим показателем является место расположения. Исходя из этого шины бывают следующих типов:

1. Шины для создания магистральной связи между компонентами установленными внутри компьютерного блока, а именно: центральный процессор, оперативное запоминающее устройство, системная плата. В современных компьютерах она обозначается как — локальная шина.
2. Шины служащие для подсоединения к системной плате периферийных гаджетов, таких, как: адаптеры, карты памяти, называются — внешними шинами.

По-большому счету, компьютерной шиной можно охарактеризовать практически всякое устройство, служащее для создания связи между двумя и более компонентами. Даже оборудование для подключения компьютера к сети Интернет в определенной степени считается системной шиной.

Одна из самых значимых устройств связи

Все действия выполняемые нами с помощью компьютера, будь то работа с документами или прослушивание музыкальных треков, компьютерные игры — все это возможно только благодаря процессору. Равным образом и процессор не может выполнять свои функции, не имея при этом магистральной связи с остальными значимыми компонентами осуществляющими полноценную работу компьютера. То есть, именно с помощью системной шины процессора организуется в одно целое комплекс устройств.

Производительность компьютера

Все основные компьютерные шины в зависимости от предназначения, делятся на несколько категорий:

1. Адресные шины
2. Шины управления
3. Шины данных

У процессора может быть задействовано несколько системных трактов связи, при этом, как показала практика, наличие определенного количества шин увеличивает эффективность работы компьютера. Пропускная способность компьютерной шины в большей части определяет производительность ПК. Принцип ее действия заключается в определение скорости трансляции данных, передающихся с локальных устройств на другие вычислительные модули и обратно.

Системные шины в современных компьютерах

Стандартная локальная шина, разработанная ассоциацией VESA, получила компетентное признание в мире компьютерных технологий. Официальное ее название VL-Bus и она же является одной из самых популярных шин локального назначения со дня ее представления. Используя шину VL-Bus можно осуществлять 32-разрядную передачу информации между графическим адаптером и процессором либо винчестером.

Однако, такая магистраль связи не способна поддерживать корректную работу микропроцессора. Вследствие этого она встраивается в систему вместе с 16-разрядной шиной ISA, и таким образом выполняет функции дополнительного расширения.

Компьютерная шина, оперативка, центральный процессор и мосты

Основные типы интерфейсов передачи данных

С одной из разновидностей сталкивался каждый пользователь компьютера. Это интерфейс передачи данных Ethernet. Его первоначальное предназначение — коммуникация между офисными устройствами. Для реализации первых соединений применялась линейная топология, а также простой коаксиальный кабель. Сегодня же данный подход устарел. И теперь в основе сетей лежит топология «звезда», реализуемая и делимая на части маршрутизаторами и коммутаторами. В промышленных сетях по интерфейсу передачи данных Ethernet можно отправлять информацию со скоростями 10, 100 Мбит/с, и реже 1Гбит/с. Подобную производительность гарантирует такая передающая среда, как витая пара или оптоволокно.

Одной из особенностей интерфейса является наличие обязательного MAC адреса, который «вшит» в аппаратную часть оборудования. С помощью него происходит распознавание того узла, который отправил и получил данные. По сути, каждый адрес должен быть уникален. Для этого разработчики устройств делят между собой общее множество значений. За тремя старшими байтами в MAC адресе закреплён свой производитель.

Стоит отметить, что при регистрации MAC это происходит один раз при инициализации сетевого оборудования. Дальнейшее же хранение его ложится на плечи операционной системы. А это означает, что адрес в любой момент можно сменить.

6.3. Порты асинхронного адаптера

На этапе инициализации системы модуль POST BIOS
тестирует имеющиеся асинхронные адаптеры и
инициализирует первые два. Их базовые адреса
располагаются в области данных BIOS начиная с
адреса 0000:0400h.

Первый адаптер COM1 имеет базовый адрес 3F8h и
занимает диапазон адресов от 3F8h до 3FFh. Второй
адаптер COM2 имеет базовый адрес 2F8h и занимает
адреса 2F8h…2FFh.

Асинхронные адаптеры могут вырабатывать
прерывания:

• COM1 — IRQ4 (соответствует INT 0Ch)
• COM2 — IRQ3 (соответствует INT 0Bh)

Рассмотрим назначение отдельных битов этих
портов.

Порт 3F8h.

Этот порт соответствует регистру передаваемых
данных. Для передачи в порт 3F8h необходимо
записать передаваемый байт данных. После приема
данных от внешнего устройства они могут быть
прочитаны из этого порта.

В зависимости от состояния старшего бита
управляющего слова, выводимого в управляющий
регистр с адресом 3FBh, назначение порта 3F8h может
изменяться. Если этот бит равен 0, порт
используется для записи передаваемых данных.
Если же бит равен 1, порт используется для вывода
значения младшего байта делителя частоты
тактового генератора. Изменяя содержимое
делителя, можно изменять скорость передачи
данных. Старший байт делителя записывается в
порт 3F9h.

Зависимость скорости передачи данных от
значения делителя частоты представлено в
следующей таблице:

Порт 3F9h.

Порт используется либо как регистр управления
прерываниями от асинхронного адаптера либо
(после вывода в порт 3F9h байта с установленным в 1
старшим битом) для вывода значения старшего
байта делителя частоты тактового генератора.

В режиме регистра управления прерываниями порт
имеет следующий формат:

Порт 3FAh.

Регистр идентификации прерывания. Считывая его
содержимое, программа может определить причину
прерывания.

Формат регистра:

Управляющий регистр, доступен по записи и
чтению.

Порт 3FCh.

Регистр управления модемом. Управляет
состоянием выходных линий DTR, RTS , линий,
специфических для модемов OUT1 и OUT2, для запуска
диагностики соединенных вместе замкнутых входе
и выходе асинхронного адаптера.

Формат порта:

Регистр состояния линии.

USB

Ещё один часто встречающийся интерфейс последовательной передачи данных — Universal Serial Bus. Практически каждое современное устройство комплектуется той или иной его разновидностью, будь то микроверсия или мини.

Его главной особенностью является использование технологии Plug and Play. Это означает, что любое устройство с интерфейсом USB можно подключить и начать работать, в большинстве случаев избегая установки различных драйверов.

Также особым рядом идёт приведение многих разношёрстных разъёмов и стандартов к одному общему виду. Теперь можно присоединять к компьютеру джойстики, мыши, клавиатуры, жёсткие диски, принтеры и многое другое оборудование, используя один универсальный разъем.

Стоит отметить ещё один плюс USB — подачу питания на одном из контактов. Это позволило подключать внешние жёсткие диски и подобные устройства.

Шина USB

Спецификация USB была разработана консорциумом компаний, включая Intel и Microsoft. Целью нового стандарта было обеспечение организации недорогой среднескоростной шины в таких областях применения, как передача цифровых изображений, компьютерная телефония и мультимедийные игры. Текущими версиями спецификации USB является версии 2.0 (во вторую заложены более высокие скоростные характеристики).

Данные передаются последовательно по паре проводников. Питание для некоторых устройств доступно по отдельным проводникам питания и заземления (для устройств с небольшим энергопотреблением).

Устройства USB могут быть подключены 5-метровым кабелем (а практически – и более длинным). Использование USB-хаба (hub – концентратор) позволяет увеличить дальность размещения устройств от хост-контроллера, а так же количество устройств, подключаемых к одной шине USB. Последовательно можно подключить до пяти хабов, обеспечив длину соединения 30 метров. К хост-контроллеру можно подключить до 127 устройств, шинный адрес которых устанавливается динамически при подключении устройств.

На рисунке 1 приведен пример конфигурации сети USB-устройств:

Рис. 1 Сеть USB-устройств

Работа программиста, создающего драйвер внешнего (не находящегося на материнской плате) USB устройства сводится к тому, чтобы воспользоваться программным интерфейсом системных драйверов шины USB, общение с которым происходит при помощи пакетов, называемых URB (USB Request Block) пакетами. Работа с регистрами USB контроллеров на материнской плате теперь стала уделом узкого круга специалистов – разработчиков материнских плат и операционных систем. Всем остальным разработчикам USB-устройств в операционной системе Windows предлагается достаточно развитый программный интерфейс WDM-драйверов, которые берут на себя все аппаратно-ориентированные операции.

Минусы Wi-Fi

Несмотря на множество преимуществ, у интерфейса имеются и недостатки. Например, большинство устройств способно работать на частоте 2,4 ГГц. Однако многие средства беспроводной передачи данных, а также некоторые бытовые приборы тоже имеют такой показатель. А это значительно влияет на качество передачи данных, что, в свою очередь, сказывается и на скорости. Однако в последних моделях устройств данную проблему уже решили путем добавления дополнительной рабочей частоты в 5 ГГц.

В России имеются небольшие проблемы с установкой адаптеров Wi-Fi, показатель электромагнитного излучения которых превышает 100 мВт, так как нужно их обязательно регистрировать.

6.2. Аппаратная реализация

Компьютер может быть оснащен одним или двумя
портами последовательной передачи данных. Эти
порты расположены либо на материнской плате,
либо на отдельной плате, вставляемой в слоты
расширения материнской платы.

Бывают также платы, содержащие 4 или 8 портов
последовательной передачи данных. Их часто
используют для подключения нескольких
компьютеров или терминалов к одному,
центральному, компьютеру.

В основе последовательного порта передачи
данных лежит микросхема Intel 8250. Это универсальный
асинхронный приемо-передатчик (UART — Universal Asynchronous
Receiver Transmitter). Микросхема содержит несколько
внутренних регистров, доступных через команды
ввода/вывода.

Микросхема 8250 содержит регистры передатчика и
приемника данных. При передаче байта он
записывается в буферный регистр передатчика,
откуда затем переписывается в сдвиговый регистр
передатчика. Байт «выдвигается» из
сдвигового регистра по битам.

Аналогично имеются сдвиговый и буферный
регистры приемника.

Программа имеет доступ только к буферным
регистрам, копирование информации в сдвиговые
регистры и процесс сдвига выполняется
микросхемой 8250 автоматически.

Внешние устройства подключаются к порту
ввода/вывода через разъем DB25P (имеющий 25 выводов)
или DB9P (имеющий 9 выводов). Приведем разводку
разъема последовательной передачи данных DB25P:

Наряду с 25-контактным разъемом часто
используется 9-контактный разъем:

Уровни напряжения на линиях разъема составляют
для логического нуля -15 вольт, для логической
единицы — +15 вольт.

Доступ к отдельным линиям возможен через порты
ввода/вывода асинхронного адаптера, которые мы
рассмотрим в следующем разделе. Там же будет
описано назначение отдельных линий разъема.

Архитектура систем ввода-вывода.

Существует два основных способа организации системы ввода вывода.

1. Прямой ввод вывод.

2. Косвенный ввод вывод (канальный ввод вывод).

При прямом вводе-выводе работа внешних устройств управляется центральным процессором, и все это подключается к одной системной шине, при этом зависимым при подключений память может быть один раздел адрес памяти и портов внешних устройств, а в случае два используется единое обращение к памяти и внешних устройств. Процесс взаимодействия внешних устройств и центральной части машины определяется интерфейсом ввода вывода, под которым понимается совокупность сигналов линий связи и алгоритм управления, обеспечивает заданный протокол взаимодействия внешних устройств и процессора. Под протоколами понимается, последовательное формирование прямых и квитирующих сигналов взаимодействия (ответный сигнал называется квитирующим).

В данной архитектуре осуществлен процесс ввода-вывода называемый канальный.

Каналы делятся на

1. Мультиплексные (обслуживают много, но медленно).

2. Селекторные (обслуживают мало, но быстро).

Отличительная особенность, процессор освобождается от управления внешним устройством, функция процессора осуществляется в инициализировании канальных программ и завершение операции ввода-вывода с помощью каналов (по существу это многопроцессорная система, в некотором смысле).

Сравнение функций контролеров и каналов, состав контролеров и каналов

Контролеры:

1. В текущий момент времени он выполняет одну команду ввода-вывода получаемую от процессора или канала и одновременно обслуживает одно внешние устройство.

В его функции входит:

1. Опознание своего адреса выборки.

2. Подтверждение готовности внешних устройств.

3. Управление операцией во внешнем устройстве.

4. Согласование форматов данных.

5. Согласование скоростей передачи (буферизация).

6. Фиксация момента и характера операции ввода-вывода.

Контроллер должен содержать:

1. Селектор адреса (логическая схема, выдающая разрешающий сигнал на один адрес).

2. Регистры управления (содержит команду) и состояния. Состояния характеризуются следующими битами: DONE,BUSYERRORчасто применяется бит приоритета.

3. Буферные регистры данных (которые служат для согласования форматов и скоростей передачи).

Особенности каналов:

1. Выполняет целую канальную программу из многих команд.

2. Допускает одновременно управлять несколькими внешними устройствами.

В его функции входит:

1. Опознание своего адреса и подтверждения готовности.

2. Прием команд процессора инициализирующих работу канала и нахождения в памяти своей канальной программы.

3. Поиск контроллера и внешнего устройства участвующего в операции и проверки их готовности.

4. Запуск канальной программы и управление обменом.

5. Сообщение центрального процессора о завершение операции и всей программы.

Канал представляет собой специализированный процессор с расширенными управлениями, и ограниченный арифметическими возможностями.