Контрольная работа по "Программированию". 21

Задание

1. Определить совокупность  аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен данными между ПУ и ядром ЭВМ выбранного предприятия. Описать взаимодействие ПУ с ядром ЭВМ.
2. Разработать структурную схему системы с определением выполняемых функций периферийными  устройствами.
3. Описать виды взаимодействия ПУ с ядром ЭВМ.
4. Для заданного устройства: носители на оптических дисках; определить область применения, разработать структурную и функциональную схему для характерных примеров  применения.
5. Для заданного вида организации работы «Организация интерфейса ПУ с ядром ЭВМ» описать организацию работ, определить область применения, проработать блок-схему алгоритма функционирования  ПУ при реализации  заданной организации работ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды взаимодействия ПУ с ядром ЭВМ

Различают три способа организации связи между МП и УВВ:

Программно-управляемая передача данных; использование прерываний; прямой доступ к памяти ПДП.

1). Программно управляемый  обмен данными. В этом случае  передача данных от ПУ в  память и обратно производится  через МП в соответствии с  микропрограммой, записанной в ОЗУ, МП руководит обменом и операция  обмена происходит так же, как  и операция основной программы.

Операция ввода - вывода активизируется текущей командой программы или запроса от ПУ. При программном управлении передачей данных процессор "отвлекается" от выполнения основной программы на все время операции ввода - вывода, следовательно снижается производительность ЭВМ. Для ввода блока данных необходимо слишком много операций, таких как преобразование форматов, адресация в памяти, определение начала и конца блока данных. В результате скорость передачи данных снижается. Дешифратор определяет номер ПУ, с которым будет происходить обмен данными в соответствии с программой. Мультиплексор передает данные от одного из ПУ соответствующего номера через МП в ОЗУ. После того, как дешифратор определил номер ПУ и МП послал запрос об обмене данными, МП ждет сигнала готовности от ПУ. Демультиплексор передает данные из ОЗУ на одно из ПУ.

2) Канал прямого доступа  в память обычно используется  для подключения к МП быстродействующих  УВВ. Обмен данными через канал  ПДП обеспечивает максимальную  скорость ввода и вывода информации.

Работы канала ПДП основывается на непосредственной передачи данных между памятью и УВВ без участия МП. Такой обмен осуществляется при откладывании основной программы на время обращения УВВ к памяти. Поскольку память отключена от МП и подключена к УВВ только на время записи в ЗУ или чтения из ЗУ, можно говорить, что обмен происходит в режиме захвата цикла памяти. Обмен информацией по каналу ПДП может происходить, если устройство подключено к линии запроса шин. При таком способе ПУ выставляет периодический сигнал – ЗАПРОС МАГИСТРАЛИ. После этого процессор приостанавливает выполнение программы, переходит в состояние «захват» и подает сигнал ОСВОБОЖДЕНИЕ МАГИСТРАЛИ. Дальнейший обмен происходит под управлением ПУ или второго модуля процессора, подключенного к магистрали; при этом магистраль может быть общей для нескольких процессоров. Все ВУ подключенные через канал прямого доступа, распределены по уровням приоритета через зону нестандартных соединений унифицированной магистрали.

Передача данных с помощью канала ПДП по сравнению с использованием системы прерываний не дает потерь времени на вход в прерывающую программу и выход из нее, на сохранение, а затем и восстановление состояния регистров МП, что достигается за счет усложнения интерфейса канала ПДП.

Для повышения эффективности работы вычислительных систем постоянно улучшались способы организации ввода-вывода информации, что привело к широкому использованию принципов параллельного выполнения операций, обработки и ввода-вывода, развитию автономных средств управления ПУ и повышению их «интеллектуальных» возможностей.

Современные ПУ представляют собой сложные технические устройства и системы, при разработке которых приходится решать разнообразные задачи из разных областей науки и техники.

Основное назначение периферийных устройств – организация входных и выходных потоков управления информации, данных для обработки и результатов вычислений. Таким образом, периферийное устройство – это любое обеспечивающие коммуникацию вычислительной системы с внешними источниками и потребителями информации.

 

Разработка структурной схемы системы с определением выполняемых функций периферийными устройствами

Устройства вычислительной системы соединяются друг с другом с помощью унифицированных систем связи, называемых интерфейсом. Интерфейс представляет собой систему шин, согласующих устройств, алгоритмов обеспечивающих связь всех частей ЭВМ между собой. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность ЭВМ. Интерфейс должен быть стандартизирован с тем, чтобы он обеспечивал связь процессора и оперативной памяти с любым периферийным устройством (ПУ). Необходимое преобразование формата данных должно производиться в ПУ. Алгоритмы функционирования интерфейса и управляющего сигнала также должны быть стандартизированы. Схемы интерфейса обычно располагаются в самих связываемых устройствах.

Типы интерфейса:

1. Интерфейс ОЗУ - через  него производится обмен данными  между ОЗУ и процессором, между  ОЗУ и каналами ввода - вывода. Ведущим в обмене данными, т.е. начинающим операцию обмена, является  процессор и каналы ввода - вывода, а исполнителем - ОЗУ. Этот интерфейс  является быстродействующим. Информация  через него передается словами  и полусловами.

2. Интерфейс с процессором - через него происходит обмен  информацией между процессором  и каналами ввода - вывода. Ведущий - процессор, исполнитель - каналы. Интерфейс  является быстродействующим. Обмен  информацией через него происходит  словами и полусловами.

3. Интерфейс ввода - вывода. Через него происходит обмен  информацией между каналами ввода - вывода и устройствами управления  ПУ. Обмен информацией производится  байтами. Его быстродействие меньше, чем у первых двух типов.

4. Интерфейс периферийных  аппаратов (ПА). Через него происходит  обмен информацией между устройствами  управления ПА и самими ПА. Он не может быть стандартизирован, т.к. ПА очень разнообразны.

Интерфейсы могут быть односвязными и многосвязными.

При односвязном интерфейсе общие для всех устройств шины используются всеми устройствами, подключенными к данному интерфейсу, на основе разделения времени.

При многосвязном интерфейсе одно устройство связывается с другими устройствами по нескольким независимым магистралям.

Односвязный интерфейс применяется в малых и микро ЭВМ, а многосвязный - в средних и больших ЭВМ. Многосвязный интерфейс характеризуется тем, что каждое устройство снабжается одной выходной магистралью для выдачи информации и несколькими входными для приема информации от других устройств.

При неисправности какой - либо входной шины или сопряженных с ней согласующих устройств, оказывается отключенным только одно периферийное устройство. Интерфейс автоматически определяет неисправное ПУ и выбирает исправные и незанятые магистрали. МП в зависимости от заданной программы выбирает последовательность опроса датчиков, т.е. вырабатывает управляющие сигналы обмена информацией по выбранному каналу и осуществляет сбор и обработку данных.

По цифровому каналу связи сигнал может передаваться параллельно или последовательно. Параллельная передача цифрового сигнала требует отдельные линии для каждого разряда, но является более быстродействующей. При последовательной передаче цифровые сигналы передаются последовательно по одной линии связи. По способу передачи информации во времени интерфейс может быть синхронный и асинхронный. Синхронный характерен постоянной временной привязкой, а асинхронный - без постоянной временной привязки. При синхронной передаче данных синхронизирующие сигналы МП задают временной интервал, в течении которого считывается информация с одного датчика. Временной интервал определяется наибольшим временем задержки в системе передачи данных и максимальным временем преобразования аналогового сигнала в цифровой. Асинхронная передача данных характеризуется наличием управляющих сигналов: "Готовность к обмену", вырабатываемый датчиком исходной информации; "Начало обмена", "Конец обмена", "Контроль обмена", вырабатываемые МП. При такой организации обмена автоматически устанавливается рациональное соотношение между скоростью передачи данных и величинами задержки сигналов в канале связи.

Рис.1 Структурная схема системы с определением выполняемых функций периферийными устройствами

 

Обмен данными между оперативной памятью и периферийными устройствами (ПУ)

 

Рис.2 Блок-схема обмена данными ОЗУ и ПУ

1. Программно управляемый  обмен данными. В этом случае  передача данных от ПУ в  память и обратно производится  через МП в соответствии с  микропрограммой, записанной в ОЗУ, МП руководит обменом и операция  обмена происходит так же, как  и операция основной программы.  Операция ввода - вывода активизируется текущей командой программы или запроса от ПУ. При программном управлении передачей данных процессор "отвлекается" от выполнения основной программы на все время операции ввода - вывода, следовательно снижается производительность ЭВМ. Для ввода блока данных необходимо слишком много операций, таких как преобразование форматов, адресация в памяти, определение начала и конца блока данных. В результате скорость передачи данных снижается. Дешифратор определяет номер ПУ, с которым будет происходить обмен данными в соответствии с программой. Мультиплексор передает данные от одного из ПУ соответствующего номера через МП в ОЗУ. После того, как дешифратор определил номер ПУ и МП послал запрос об обмене данными, МП ждет сигнала готовности от ПУ. Демультиплексор передает данные из ОЗУ на одно из ПУ.

2. Обмен данными с использованием  прямого доступа к памяти (ПДП). При этом МП освобождается  от участия в обмене данными. ОЗУ связывается с МП и с  аппаратурой, руководящей обменом  данных разными шинами. Обменом  данными полностью управляют  с помощью аппаратных средств. Инициатором обмена данными является

ПУ, которое посылает запрос об обмене данными на флажок запроса ПДП. Флажок запроса активизирует блок ПДП. Блок ПДП посылает в память сигнал чтения или записи и определяет ячейку ОЗУ, с которой начнется обмен данными. Блок ПДП посылает эти сигналы, после того, как получит от МП сигнал подтверждения. Регистр данных передает данные из ОЗУ в ПУ и из ПУ в ОЗУ. При ПДП процессор освобождается от управления операциями ввода - вывода и может параллельно выполнять основную программу. ПДП обеспечивает более высокое быстродействие и более высокую производительность работы ЭВМ.

 

Обмен данными по прерываниям

Назначение системы прерывания – реагировать на определенные события путем прерывания работы процессора по выполнению программы (условно основной) и переключению ЦП на выполнение другой программы (процедуры), обслуживающей соответствующую ситуацию, например, появление неисправности в работе микросхем ОП, деление на нуль, обращение к памяти, выделенной для другой программы, нажатие клавиши, запрос ВУ для обмена и другое.

Таким образом, под прерыванием понимается временное прекращение текущей программы центральными устройствами ЭВМ с запоминанием в памяти (стеке) слова состояния программы и адреса команды, на которой произошло прерывание, и переходом к выполнению другой программы, называемой процедурой прерывания. В свою очередь, она может быть прервана при выявлении события с более высоким приоритетом обслуживания.

В персональном компьютере на базе МП 80х86 поддержка этих функций (запоминание и переход) осуществляется посредством команды прерывания INT n. При этом с помощью 8-битового кода n, называемого типом прерывания, задается один (4×n) из 256 адресов основной памяти, начиная с нуля, куда заранее размещают адреса вызываемых процедур прерывания. Например, при выполнении в ПК команды INT 5Н, вызовется процедура BIOS вывода на печать экрана.

На аппаратно-программном уровне организации ЭВМ выделяют три основных вида прерываний, зависящих от принципа выявления этих событий и инициирования прерывания программы.

1. Аппаратное прерывание  инициируется в момент возникновения какого-либо события, отмечаемого формируемым извне сигналом запроса на прерывание (ЗПi), который поступает от ВУi, запросившего обмен данными, на специальную схему (рис.3) – программируемый контролер прерывания (ПКП). Эта схема вырабатывает для МП 80х86 сигнал прерывания INTR и тип прерывания n (для внешней команды прерывания INT n), считываемого сигналом #INTА. Код n содержит 3-битовый вектор V, значение которого равно номеру ВУ, который будет обслужен в режиме прерывания.

Рис. 3. Структура многоуровневой системы прерывания 

2. Программное прерывание  вызывается командой прерывания INT n путем ее включения в основную программу.

3. Внутреннее прерывание  инициируется с помощью работы внутренней схемы прерывания, поддерживающей все необходимые действия по вызову процедуры, обслуживающей ситуацию, которая выявлена с помощью системы прерывания.

Наличие в ЭВМ различных видов системы прерывания позволяет эффективно поддерживать такие ее функции, как: организация обмена данными с ВУ, мультипрограммирование и защита памяти.

 

Область применения сканера, графопостроителя, плоттера, структурная и функциональная схемы

Сканеры

Существуют различные подходы к классификации сканеров: по типу сканируемых оригиналов (на просвет - слайд-сканеры и барабанные сканеры, в отраженном свете - планшетные сканеры, сканеры объемных объектов - ЗО-сканеры), по области применения (офисные, фотосканеры, полупрофессиональные, профессиональные), по типу сканирующего элемента (на приборах с зарядовой связью - ПЗС или CCD, на фотодиодах - ФД или CIS на фотоэлектронных умножителях - ФЭУ) и некоторые другие.

Принципиальное устройство планшетного сканера (Рис. 4)

Рис. 4. Устройство и механизм работы планшетного сканера

Основными компонентами планшетного сканера являются трехстрочный светочувствительный элемент (CCD или CIS), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), механизм перемещения сканирующей каретки, линзовая система, система подсветки, контроллер сканера, контроллер интерфейса и собственно корпус, в котором размещено все это хозяйство. В принципе, качество сканирования зависит от качества исполнения всех перечисленных компонентов, однако в решающей степени всего от трех - светочувствительного элемента, АЦП и линзовой системы.

Элементы на приборах с зарядовой связью обладают более высокой чувствительностью, чем матрицы CIS, однако требуют установки сложной системы линз и зеркал для проецирования изображения сканируемой строки на миниатюрный CCD-элемент. Матрица фотодиодов располагается по всей ширине сканируемой области сразу под защитным стеклом и непосредственно воспринимает свет, отраженный от оригинала. В силу технологических особенностей элементы CIS не столь чувствительны, как CCD, Кроме того, оптическая система CCD-сканера позволяет (в определенных пределах) регулировать глубину резкости, то есть сканировать оригиналы, имеющие разную высоту участков относительно защитного стекла.

Некоторые модели планшетных сканеров оснащают модулями для сканирования прозрачных оригиналов. Их принципиальное отличие заключается в размещении лампы подсветки над оригиналом, то есть сканирование происходит «на просвет». В сканерах офисного класса слайд-модуль съемный, в планшетных сканерах профессионального класса применяется сложная встроенная система сканирования прозрачных оригиналов.

Для качественного сканирования слайдов и негативов используют отдельные слайд-сканеры, отличающиеся повышенным разрешением и широким динамическим диапазоном. Снижение цен на модели начального уровня до 150-200$ переводит слайд-сканеры в категорию офисно-домашней техники.

Плоттеры, графопостроители

По принципу действия электромеханические векторные графопостроители делятся на устройства с неподвижным носителем информации и устройства с перемещаемым носителем информации.

Для устройств с неподвижным носителем, носитель информации укрепляется на плоской рабочей поверхности планшета. Перемещение пишущего элемента осуществляется электромеханической координатной системой по двум осям. Этот тип графопостроителей принято именовать планшетами.

Для устройств с перемещаемым носителем информации характерно наличие механизма перемещения пишущего элемента только по одной координате, запись информации по другой оси осуществляется путем перемещения самого носителя.

В зависимости от способа перемещения носителя такие устройства делятся на устройства с перфорированным носителем, в которых носитель перемещается транспортным валом за краевую перфорацию, и устройства с фрикционным перемещением неперфорированного носителя, в которых перемещение носителя осуществляется за счет частичного или полного микрозахвата носителя транспортным валом с фрикционным покрытием.

По производительности устройства делятся на графопостроители с высокой, средней малой производительностью. Производительность электромеханических графопостроителей определяется динамическими параметрами устройства: максимальной скоростью и ускорением пишущего элемента.

По точности устройства делятся на : прецизионные – предназначенные для изготовления подлинников КД, шаблонов, карт и т.д., средней точности – для контрольных прорисовок чертежей и схем и малой точности - для эскизной прорисовки в основном с экранов графических дисплеев.

По области применения : автономные; работающие в составе больших ЭВМ и систем; работающие в составе рабочих станций и ПЭВМ,

Электромеханические графопостроители предназначены для вывода на носители ( обычно на бумажные) графической и текстовой информации.

Создание и развитие ЭВМ вызвало появление регистрирующих устройств, работающих на основе цифровых данных, подготавливаемых в ЭВМ. Независимо от структуры эти устройства преобразовывают информацию из цифровой формы в графическую в виде различных документов и чертежей.

Основное преимущество графопостроителей состоит в обеспечение высокой точности черчения. Графопостроители могут работать автономно, воспринимая исходные данные с промежуточного носителя – диска, непосредственно с ЭВМ, используя интерфейсы различных типов.

Графопостроители состоят из трех основных частей: блока механизма, блока управления исполнительными каналами устройства и системы управления.

Блок механизма представляет собой планшетный или барабанный механизм, предназначенный для организации перемещения в плоскости чертежа пишущих элементов, а также их подъема и опускания.

Блок управления исполнительными каналами по координатам x и y строится как по замкнутому принципу с использованием обратной связи, так и по разомкнутому принципу. В первом случае для привода применяются малоинерционные двигатели постоянного тока с датчиком обратной связи по положению и скорости, во втором случае шаговые двигатели.

В последние годы широкое распространение получили графопостроители с перемещением вдоль одной оси носителя с помощью абразивного вала. Это позволило значительно снизить энерго- и материалоемкость. По сравнению с планшетными построителями масса снижается в 3-5 раз, однако точность у таких построителей, как правило, ниже, чем у планшетных.

Системы управлениями графопостроителями можно разделить на три группы: инкрементальные, с фиксированным алгоритмом работы и программируемые.

Система управления предназначена для :

• организации логической связи с источником информации;
• организация контроля состояния и диагностики устройства;
• подготовки исходных данных и выполнения интерполяционных процессов:
• обеспечения вычерчивания символов и различных типов линий:
• учета конструктивных особенностей устройств и динамических характеристик исполнительных каналов.

Процесс формирования данных для вычерчивания выполняется цифровыми интерполяторами, предназначенные для определения координат промежуточных точек, лежащих между заданными узловыми точками. Принципы построения интерполяторов во многом определяют эффективность работы графопостроителей, надежность и качество вычерчивания различных изображений. Цифровые интерполяторы разделяются на следующие типы : линейный, линейно-круговые и параболические.

В процессе вычерчивания различных чертежей для задания символов ( букв, цифр и различных знаков) необходим значительный объем исходной информации по отдельным отрезкам. Вычерчивание символов по кодам существенно уменьшает объем исходной информации (практически на порядок) и упрощает процесс составления программы для графического устройства.

Во многих случаях конфигурация символов заранее не может быть задана и определятся пользователем в процессе решения конкретной задачи. При этом должна обеспечиваться возможность программной замены конфигурации символов, а также поворота символов в плоскости чертежа.

Для обеспечения возможности вычерчивания символов системы управления снабжаются блоком фиксированной или переменной конфигурации символов и их поворота.

Системы управления также имеют возможность генерации различных типов линий.

 

Организация интерфейса ПУ с ядром ЭВМ

При наращивании числа подключаемых к процессору и основной памяти компьютера внешних устройств в современных ЭВМ применяют канальную и шинную системотехнику (или технологию), с помощью которой организуется сопряжение (интерфейс) между устройствами ввода-вывода (УВВ) и ядром компьютера.

Под интерфейсом понимается совокупность аппаратных (линии и шины для передачи сигналов и специальные интерфейсные схемы) и программных (протоколы, программы – драйверы ввода-вывода) средств, с помощью которых производится обмен данными.

Шина – это физический канал передачи электрических сигналов, с помощью которых осуществляется связь между устройствами. При обмене данными по шине также передаются сигналы (слова) о состоянии УВВ, а также сигналы (слова) для их управления.

 При этом понятие физического  канала определяется для ЭВМ  общего назначения как процессор  ввода-вывода, а для класса микроЭВМ  и персональных компьютеров –  как контроллер (адаптер) ввода-вывода (в/в), управляющий взаимодействием  ЭВМ с внешним устройством (ВУ). Комплекс «ВУ–адаптер» образует  подсистему ввода-вывода, предназначенную  для «общения» ПК с внешней  средой.

Впервые канальная технология интерфейса была применена в ЭВМ общего назначения (семейство ЕС ЭВМ и IBM-360), взаимодействующих с удаленными УВВ через отдельные физические каналы, работающие при обмене данными в режиме разделения времени. Шинная организация интерфейса ввода-вывода реализована в мини-, а затем в микро ЭВМ (рис. 5), типичная структура которых содержала единую системную шину (СШ).

Рис. 5. Структура мини и микро ЭВМ с единой системной шиной

Каждое УВВ подключается к этой шине через специальные адаптеры в/в. К СШ также подключена память, состоящая из двух частей:

ПЗУ (постоянного запоминающего устройства ЗУ) для хранения программ и ОЗУ (оперативного ЗУ) для хранения данных.

В системной шине выделяют три группы линий, которые называют шинами адреса (ША), данных (ШД) и управления (ШУ). Важной характеристикой системной шины является ее разрядность, определяемая как число линий, содержащихся в ШД. В соответствии с этой характеристикой примерами 8-, 16- и 32-разрядных шин в ПК являются стандартные параллельные шины расширения ХТ (или АТ-8), АТ (или ISA) и PCI соответственно. Для них характерна передача данных в параллельном формате (за 1 такт передается, например, 8, 16, 32 бит). В последовательных шинах, например, стандартных интерфейсов USB, PCI Express и SATA, данные передаются в последовательном формате (за 1 такт один бит). При этом для передачи данных используется минимальное количество электрических линий, в частности в USB –четыре, по которым также передается адресная и управляющая информация. Уменьшение числа линий в шине позволяет повысить надежность и скорость передачи информации, в том числе и за счет специальных сигнальных технологий и помехоустойчивого кодирования.

Адаптеры (контроллеры) в/в строятся на основе шинных формирователей, регистров, интерфейсных БИС. С точки зрения программиста, каждый адаптер представляет собой набор программно-доступных (физически адресуемых) регистров – портов ввода-вывода, при обращении к которым с помощью специальных программ – драйверов осуществляется обмен информацией между ВУ и ядром компьютера. Основу этих программ составляют команды ввода (IN) и вывода (OUT), с помощью которых можно передать содержимое порта в регистр ЦП или сделать обратную передачу: из процессора – в порт. Разработка программ, связанных с вводом-выводом, осуществляется, в основном на основе языка ассемблера или с использованием средств встроенного ассемблера, если программирование ведется на языке высокого уровня, например, Си, Паскаль.

Существенной особенностью современных персональных компьютеров является многообразие различных вариантов (стандартов) интерфейса ввода-вывода, в том числе РСI, USB, PCI Express, SATA, обеспечивающих взаимодействие процессора как с внутренними, так и с внешними устройствами ПК. Поэтому не случайно важной составляющей эволюции структур компьютера, особенно в направлении повышения его производительности, являются технологии интерфейса ввода-вывода.

.