Мелитопольский государственный педагогический университет кафедра Информатики и кибернетики архитектура ЭВМ учебное пособие (Конспект лекций)

Вид материала

Учебное пособие

Содержание AD (Address — Data). Side-Band Addressing 4.5.6 Шина IEEE 1394 5.1 Параллельные интерфейсы 5.1.1. Интерфейс Centronics и LPT-порт 5.1.2 Интерфейс Centronics 5.1.3 Традиционный LPT-порт Расширения параллельного порта Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallelport) 5.1.5 Стандарт IEEE 1284 Режим совместимости (Compatibility Mode) Режим ЕСР 5.1.6 Физический и электрический интерфейсы 5.2 Последовательные интерфейсы 5.2.1. Способы последовательной передачи Асинхронный обмен Стандартный 25-контактный разъем последовательного порта RS-423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A 5.2.2 Интерфейс RS-232C 5.2.3 Электрический интерфейс ... Полное содержание

Подобный материал:

• Конспект лекций москва 2004 удк 519. 713(075)+519. 76(075) ббк 22. 18я7, 1805.53kb.
• Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
• Томский государственный университет кафедра новой, новейшей истории и международных, 2383.42kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине архитектура ЭВМ (физико-математический факультета, 322.24kb.
• В. Е. Никитин биомедицинская этика учебное пособие, 1537.51kb.
• Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации, 936.13kb.
• Проблемы кибернетики и информатики” (pci’2010), 57.04kb.
• Учебное пособие Красноярск 2009 ббк 74. 204, 4704.72kb.
• Конспект лекций по курсу «Организация ЭВМ и систем» Организация прерываний, 576.86kb.
• В. Н. Вершинин Электронный вариант Педагогический процесс в условиях вечерней школы, 2063.5kb.

4.5.3 Шина АGР

Несмотря на все преимущества шины PCI, ее возможностей становится не­достаточно в условиях растущей нагрузки на систему. Причина заключается в том, что новое поколение графических микросхем работает одновременно с 3-мерной графикой и видео. Только для управления пользовательским, 1рафическим интерфейсом требуется половина пропускной способности шины.

Чтобы, не меняя уже сложившийся стандарт на шину PCI, ускорить ввод/ вывод данных на видеоадаптер и, кроме того, увеличить производительность PC при обработке трехмерных изображений без установки специализиро­ванных дорогостоящих двухпроцессорных видеоадаптеров, в 1997 г. фирмой Intel был разработан стандарт на шину AGP (Accelerated Graphics Port). AGP является каналом передачи данных между видеоадаптерами RAM.

Шина AGP — это локальная высокоскоростная шина ввода/вывода, предна­значенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видео­адаптер (3 D-акселератор) с системной памятью PC, поэтому на материнской плате имеется только один разъем (слот) AGP..

Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Вместе с тем, у нее имеется ряд важных

Рис.3 Структурная схема видеосистемы на основе шины AGP


отличий от шины PCI, позволяющих в несколько раз увеличить пропускную способность.

• Использование более высоких тактовых частот
  
• Демультиплексирование (режим SBA)
  
• Пакетная передача данных
  
• Режим прямого исполнения в системной памяти (DiME)
  

Pipelining — конвейерная (пакетная) передача данных

При обращении к памяти через шину ввода/вывода обязательно возникают задержки, т. е. между моментом выставления кода адреса и моментом полу­чения кода данных проходит какое-то время. При обмене через шину PCI эта задержка возникает при каждом обращении. Шина AGP, в отличие от PCI, предусматривает pipelining — конвейерную (пакетную) передачу данных (рис. 5.8), при которой новый запрос (код адреса) выставляется на шине сразу же после предыдущего, т. е. запросы выстраиваются в очередь (ее длина мо­жет достигать 256). Все запрошенные данные передаются по шине также в виде непрерывного пакета. В результате этого задержка получения данных может возникнуть только один раз, что значительно повышает скорость обме­на данными через шину AGP по сравнению с обменом через шину PCI.

Демультиплексирование

'Как известно, шина PCI является мультиплексированной (переключаемой):

одни и те же 32 линии ADO — AD31 сначала используются для передачи кода адреса, а затем — кода данных. Иногда такой режим называют AD (Address — Data).

Шина AGP также может работать в режиме AD, однако она допускает при­менение режима SBA (Side-Band Addressing — Адресация по боковой полосе), при котором для передачи кода адреса используются восемь дополнитель­ных линий разъема AGP, именуемых SBO — SB7. Поскольку код адреса, как и код данных — 32-разрядные, то такое разделение является частичным де­мультиплексированием (для


Рис. 4 Архитектура шины USB


полного демультиплексирования надо выделить 32 линии вместо 8, а это весьма дорого).

Заметим, что название Side-Band Addressing не совсем точно отражает суть данного режима, поскольку термин Side Band (Боковая полоса частот) тра­диционно используется применительно к радиоканалам, для которых умест­но говорить об основной и боковой полосе выделенных частот. В шине AGP, как известно, выделяется не дополнительная полоса частот, а отдель­ная 8-разрядная линия передачи данных.

Режим SBA используется только в режиме 2х, причем при пакетной переда­че. Для выполнения адресации в режиме SBA используется три такта син­хронизации (при этом, с учетом режима 2х, по проводам SBO — SB7 переда­ется 6 байт). В течение первых двух тактов передаются 4 байта адреса, а в течение третьего такта — 1 байт длины запроса и 1 байт команды. Провода ADO — AD31 шины AGP в режиме SBA используются исключительно для передачи данных, поэтому скорость передачи данных в данном режиме су­щественно выше, чем в режиме AD.


4.5.4 Шина USB

Спецификация периферийной шины USB (Universal Serial Bus) была разра­ботана фирмами — лидерами компьютерной и телекоммуникационной про­мышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Tele­com — для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Шина USB поддерживает технологию Plu&Play. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с. На новых материнских платах имеется специальный разъем для подключения концентратора USB (USB-Hab).К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подсоединять перифе­рийные устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер и др.). не вы­ключая питание. Как только устройство будет подключено, автоматически осуществляется его конфигурирование. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB, и подключаться к PC через отдельный выносной блок, именуемый USB-хабом или концентратором, с помощью которого к PC можно подключить до 127 периферийных устройств.

Для использования шины USB под управлением операционных систем Win­dows 95/98, Windows NT и OS/2 Warp разработаны специальные драйверы.

Согласно спецификациям PC 98 и PC 99 корпорация Intel планирует пол­ностью заменить шину ISA шиной USB для подключения периферийных низкоскоростных устройств ввода/вывода, и шиной Fire Wire (IEEE 1394) для подключения устройств хранения информации (CD-ROM, HDD и др.) и »вода видеоданных.


4.5.5 Шина SCSI

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств (винчестеры и приводы CD-ROM SCSI, сканеры, фо­то- и видеокамеры и др.)

В отличие от рассмотренных выше шин, шина SCSI реализована в виде ка­бельного шлейфа. С шиной PC (ISA или PCI) шина SCSI связывается через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Любое устройство, подключенное к шине SCSI. может инициировать обмен с другим устройством.

О
Рисунок 5
чередным этапом развития шины SCSI явилась Ultra SCSI, которая исполь­зует тактовую частоту шины 20 МГц. Пропускная способность 8-разрядной шины составила 20 Мбайт/с. 16-разрядная шина Ultra SCSI, называемая Wide Ultra SCSI (или Fast 40), имеет пропускную способность 40 Мбайт/с.

В сентябре 1998 г. появилась шина Ultra3 SCSI, которая имеет 63 измене­ния по сравнению с предыдущими версиями. После выпуска первых про­мышленных образцов новая спецификация получила название Ultra 160. Пропускная способность шины увеличилась до 160 Мбайт/с. Основными особенностями Ultra 60 являются:

• Двойная синхронизация при передаче данных (Double Transition Clocking)
  
• Контроль целостности данных за счет использования циклического кода с избыточностью (CRC)
  
• Контроль окружения (Domain Validation), который заключается в провер­ке возможностей соединительных кабелей, терминаторов, карт с целью обеспечения оптимальной производительности шины.
  

Следующим развитием шины SCSI явилась Ultra320. Реальным соперником SCSI может стать последовательная шина IEEE 1394 (High Performance Serial Bus), чаще называемая Fire Wire.

4.5.6 Шина IEEE 1394

IEEE 1394 — это стандарт на высокоскоростную локальную последователь­ную шину, который был разработан на основе технологии Fire Wire фирмами Apple и Texas Instruments. Он является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3).

Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между PC и другими электронными устройствами. Благодаря низкой стоимости и высокой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода/вывода для PC. Ее изменяемая архитектура и одноранговая то­пология делают FireWire идеальным вариантом для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации. Эта шина также идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени, особенно связанных с нелинейным монтажом видеофрагментов.

Локальная последовательная шина IEEE 1394 способна передавать данные со скоростью 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (12,5, 25, 50, 100 и 200 Мбайт/с), а при работе с файлами некоторых типов — до 1 Гбит/с. Та­кая высокая скорость достигается за счет передачи информации в пакетном режиме. Кроме того, шина IEEE 1394 обеспечивает одновременную работу нескольких устройств, передающих данные с разными скоростями, точно так же, как и SCSI.

Шина использует простой 6-проводный кабель состоящий из двух различных пар линий, предназначенных для передачи тактовых им­пульсов и информации, а также двух линий питания. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug&Play, включая воз­можность "горячего" подключения (установка и извлечение компонентов без отключения питания PC). Структура шины IEEE 1394 не так сложна, как структура параллельной шины SCSI. Устройства, подключаемые к ней, мо­гут потреблять ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В. Производитель­ность шины IEEE 1394 выше производительности Ultra-Wide SCSI, а разъем значительно меньше разъема SCSI. Кроме того, она и стоит дешевле.


Контрольные вопросы.

1. Опишите классификацию шин.
   
2. Как различают шины по функциональному назначению?
   
3. Какие компоненты включает архитектура шины?
   
4. Опишите шину данных.
   
5. Опишите шину адреса.
   
6. Опишите шину управления.
   
7. Опишите основные характеристики шины.
   
8. Дайте определение интерфейса.
   
9. Опишите системные шины.
   
10. Опишите шину ISA.
    
11. 8- и 16-разрядные шины.
    
12. Опишите шину PCI.
    
13. В чем состоит особенность шины АGР?
    
14. Опишите шину USB.
    
15. Опишите шину SCSI.
    
16. Укажите особенность шины IEEE 1394.
    

Лекция 5 Последовательный и параллельный порты.

5.1 Параллельные интерфейсы

5.1.1. Интерфейс Centronics и LPT-порт

5.1.2 Интерфейс Centronics

5.1.3 Традиционный LPT-порт

5.1.4 Расширения параллельного порта

5.1.5 Стандарт IEEE 1284

5.1.6 Физический и электрический интерфейсы

5.1.7 Развитие стандарта IEEE 1284

5.1.8 Конфигурирование LPT-портов

5.2 Последовательные интерфейсы

5.2.1. Способы последовательной передачи

5.2.2 Интерфейс RS-232C

5.2.3 Электрический интерфейс

5.2.4 СОМ-порт

5.2.5 Использование СОМ-портов

5.2.6 Ресурсы и конфигурирование СОМ-портов

5.1 Параллельные интерфейсы

Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит в слове используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Параллельные интерфейсы используют логические уровни ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), что ограничивает длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует. Параллельные интерфейсы используют для подключения принтеров. Передача данных может быть как однонаправленной (Centronics), так и двунаправленной (Bitronics). Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами - получается сеть, "сделанная на коленке" (LapLink). Ниже будут рассмотрены протоколы интерфейсов Centronics, стандарт IEEE 1284, а также реализующие их порты PC.


5.1.1. Интерфейс Centronics и LPT-порт

Для подключения принтера по интерфейсу Centronics в PC был введен порт параллельного интерфейса - так возникло название LPT-порт (Line PrinTer - построчный принтер).Хотя сейчас через этот порт подключаются не только построчные принтеры, название "LPT" осталось.

5.1.2 Интерфейс Centronics

Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему на принтерах. Интерфейс Centronics поддерживается принтерами с параллельным интерфейсом. Его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М. Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт вырабатывает аппаратное прерывание по импульсу на входе Ack#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом.

5.1.3 Традиционный LPT-порт

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5.Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов, BIOS поддерживает до четырех (иногда до трех) LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом - прерыванием INT 17h,обеспечивающим через них связь с принтером по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера. Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE).

4. Расширения параллельного порта
   

Недостатки стандартного порта частично устраняли новые типы портов, появившиеся в компьютерах PS/2.

Двунаправленный порт 1 (Type 1 parallel port} -интерфейс, введенный в PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном режиме. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит CR.5:0 - буфер данных работает на вывод, 1 - на ввод. Не путайте этот порт, называемый также enhanced bi-directional, с ЕРР. Данный тип порта прижился и в обычных компьютерах.

Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallelport)
применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с портом, требовалось только задать в памяти блок данных, подлежащих выводу, а затем вывод по протоколу Centronics произ-
водился без участия процессора. Позже появились другие адаптеры LPT-портов, реализующие протокол обмена Centronics аппаратно - Fast Centronics. Некоторые из них использовали FIFO-буфер данных Parallel Port FIFO Mode. He будучи стандартизованными, такие порты разных производителей требовали использования собственных специальных драйверов. Программы, использующие прямое управление регистрами стандартных портов, не умели более эффективно их использовать. Такие порты часто входили в состав мультикарт VLB. Существуют их варианты с шиной ISA, в том числе встроенные.

5.1.5 Стандарт IEEE 1284

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет порты SPP, ЕРР и ЕСР. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному порту SPP.

Полубайтный режим (Nibble Mode) - ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах.

Байтный режим (Byte Mode) - ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Type 1).

т Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port) (EPP Mode) - двунаправленный обмен данными. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройства-
ми внешней памяти и адаптерами локальных сетей.

Режим ЕСР (Extended Capability Port) (ECP Mode) - двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding) и использования FIFO-буферов и DMA. Управляющие
сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров.

5.1.6 Физический и электрический интерфейсы

Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов. Спецификации стандартного порта не задавали типов выходных схем, предельных значений величин нагрузочных резисторов и
емкости, вносимой цепями и проводниками. На относительно невысоких скоростях обмена разброс этих параметров не вызывал проблем совместимости. Однако расширенные (функционально и по скорости передачи) режимы требуют четких спецификаций. IEEE 1284 определяет два уровня интерфейсной совместимости. Первый уровень(Level I) определен для устройств медленных, но использующих смену направления передачи данных. Второй уровень (Level II) определен для устройств, работающих в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями. К передатчикам предъявляются следующие требования:

Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5... +5,5 В.

Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (Уон) и не выше +0,4 В для низкого уровня (VoiJ на постоянном токе.

Традиционные интерфейсные кабели имеют от 18 до 25 проводов, в зависимости от числа проводников цепи GND. Эти проводники могут быть как перевитыми, так и нет. К экранированию кабеля жестких требований не предъявлялось. Такие кабели вряд ли будут надежно работать на скорости
передачи 2 Мбайт/с и при длине более 2 м. Стандарт IEEE 1284 регламентирует свойства кабелей.



Три различных разъема, определенных в стандарте IEEE 1284

5.2 Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда - название интерфейса и порта. Английские термины – Serial Interface и Serial Port (иногда их неправильно переводят как
"серийные"). Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. Характерной особенностью является применение неТТЛ сигналов. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних (обычно вход-
ных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами. Ниже будут рассмотрены интерфейсы RS-232C, RS- 422А, RS-423A, RS-485, токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.

5.2.1. Способы последовательной передачи

Последовательная передача данных может осуществляться в
асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу межцу посылками Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена. Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с

А
синхронный обмен в PC реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C. Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что

Стандартный 25-контактный разъем последовательного порта


при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на стороне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485.

Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A
имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи,
хотя дифференциальный вход приемника RS-423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов.

5.2.2 Интерфейс RS-232C

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные {О ОД – оконечное оборудование данных или АПД - аппаратура передачи данных; DTE - Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД', DCE - Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

5.2.3 Электрический интерфейс

Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах - например, RS-422). Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF ("выключено"), а для линий последовательных данных - SPACE. Диапазон -3...+3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно


5.2.4 СОМ-порт

Последовательный интерфейс СОМ-порт (Communication Port - коммуникационный порт) появился в первых моделях IBM PC. Он был реализован на микросхеме асинхронного приемопередатчика Intel 8250. Порт имел поддержку BIOS однако широко применялось (и применяется) взаимодействие с портом на уровне регистров. Говоря о СОМ-порте PC, по умолчанию будем подразумевать совместимость регистровой модели с i8250 и реализацию асинхронного интерфейса RS-232C.

5.2.5 Использование СОМ-портов

СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода; питание производится от интерфейса. Мышь с последовательным интерфейсом - Serial Mouse -может подключаться к любому исправному порту. Для подключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 2.7. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мышей. Для работы коммуникационного ПО обычно требуется использование прерываний, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550A или совместимой. Возможности работы с использованием FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО. Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 2.8). Использование программ типа Norton Commander или Interink MS-DOS позволяет обмениваться файлами со ско-
ростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний. Это же соединение может использоваться и сетевым пакетом Lantastic, предоставляющим более развитый сервис.

Подключение принтеров и плоттеров к СОМ-порту требует применения кабеля, соответствующего выбранному протоколу управления потоком: программному XON/XOFF или аппаратному RTS/CTS

Интерфейс RS-232C широко распространен в различных ПУ и терминалах. СОМ-порт может использоваться и как двунаправленный интерфейс, у которого имеется 3 программно управляемые выходные линии и 4 программно-читаемые входные линии с двуполярными сигналами.

СОМ-порт используют для беспроводных коммуникаций с применением излучателей и приемников инфракрасного диапазона - IR (Infra Red) Connection. Этот интерфейс позволяет осуществлять связь между парой устройств, удаленных на расстояние, достигающее нескольких метров. Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные - для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т. п.. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна
для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров.


Контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Опишите назначение параллельных и последовательных интерфейсов.
   
2. К чему относится понятие «Интерфейс Centronics»?
   
3. Опишите «Традиционный LPT-порт».
   
4. Опишите двунаправленный порт 1.
   
5. Опишите порт с прямым доступом к памяти.
   
6. Опишите особенности стандарта IEEE 1284.
   
7. Какие уровни интерфейсной совместимости определяет IEEE 1284?
   
8. Перечислите новые стандарты IEEE 1284.
   
9. Опишите способы последовательной передачи сигналов.
   
10. Опишите реализацию последовательного интерфейса на физическом уровне.
    
11. Опишите назначение интерфейса RS-232C.
    
12. Опишите особенности электрического интерфейса RS-232C.
    
13. Для чего используют СОМ-порты.
    
14. Опишите использование СОМ-порта для беспроводных коммуникаций.
    

Конец формы




<sup>Лекция 6 Жесткий диск


6.1 Что такое жесткий диск</sup>

6.2 Принципы работы накопителей на жестких дисках

6.3 Дорожки и секторы

6.4 Форматирование дисков

6.4.1 Форматирование низкого уровня

6.4.2 Организация разделов на диске

6.5.5 Форматирование высокого уровня

6 .6 Основные узлы накопителей на жестких дисках

6.7 Диски

6.8 Плата управления

6.9 Характеристики накопителей на жестких дисках

6.10 Деление жесткого диска на логические части.


^{6.1 Что такое жесткий диск}

Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера явля­ется накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое — накопитель на жестком диске.

^{Новейшие достижения}

Почти за 20 лет, прошедших с того времени, как жесткие диски стали привычными ком­понентами персональных компьютеров, их параметры радикально изменились. Приведем самые яркие факты.

• Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей увеличилась от 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и больше для 3,5-дюймовых накопителей половинной высоты (Seagate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 32 Гбайт (IBM Travelstar 32GH). Жесткие диски объемом менее 10 Гбайт в современных на­стольных компьютерах практически не используются.
  
• С
  Вид накопителя на жестких дисках со снятой верхней крышкой
  корость передачи данных увеличилась от 85-102 Кбайт/с в компьютере IBM XT (1983 год) до 51,15 Мбайт/с в наиболее быстродействующих системах (Seagate Cheetah 73LP).
  
• Среднее время поиска (т.е. время установки головки на нужную дорожку) уменьши­лось от 85 мс в компьютере IBM XT (1983 год) до 4,2 мс в одном из самых быстродей­ствующих на сегодняшний день дисководе (Seagate Cheetah X15).
  
• В 1982 году накопитель емкостью 10 Мбайт стоил более 1500 долларов (150 долларов за мегабайт). В настоящее время, стоимость жестких дисков снизилась до половины цента за мегабайт.
  

вуют также накопители со сменными дисками, например устройства Iomega Zip и Jaz.


6.2 Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис.2. В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков.

Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис.3). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и

Рис.2 Дорожки и секторы Рис.3 Цилиндры

двигаются только синхронно. Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Например, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке. При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ре­монт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 30 000 и более на дюйм. Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности.


6.3 Дорожки и секторы

Дорожка — это одно “кольцо” данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во мно­гих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумеро­ванные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа нако­пителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка же­сткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форма­тирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, от­счет которых ведется с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1-18).

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочей служебной информации, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатирован­ную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некото­рое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для провер­ки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных. Помимо указанных об­ластей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании всем байтам данных присваивается не­которое значение, например F6h.

Утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сек­тора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и заключения (trailer), может быть различным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт.

Информация, которая содержится в заголов­ках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изме­нить ее можно, только переформатировав диск.


6.4 Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска:

• физическое, или форматирование низкого уровня;
  
• логическое, или форматирование высокого уровня.
  

При форматировании гибких дисков с помощью программы Explorer Windows 9x или ко-манды DOS FORMAT выполняются обе операции, но для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Соз-дание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда вы-полняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров формати-рования высокого уровня (которые могут быть различными для разных операционных сис-тем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске. При организации нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может использо-ваться для работы под управлением своей операционной системы либо представлять отдель-ный том (volume), или логический диск (logical drive). Том, или логический диск, — это то, чему система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.

1. Форматирование низкого уровня.
   
2. Организация разделов на диске.
   
3. Форматирование высокого уровня.
   

6.4.1 Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных. В накопителях на гибких дисках количество секторов на дорожке определяется типом дискеты и дисковода; количество секторов на дорожке жесткого диска зависит от интерфейса накопителя и контроллера.

В первых контроллерах ST-506/412 при записи по методу MFM дорожки разбивались на 17 секторов, а в контроллерах этого же типа, но с RLL-кодированием количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17–700 и более. Накопители SCSI — это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска заключается в разделении внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопителях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (рис. 4).

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

Приведем в качестве примера организацию зон в жестком диске IBM Travelstar 32GH емкостью 32 Гбайт и размером 2,5 дюйма для портативных компьютеров.

Этот накопитель имеет 21 664 дорожек на каждой поверхности диска; дорожки разделены на 15 зон по 1 354 в каждой. В нулевой зоне содержится наибольшее количество секторов —617 на каждую дорожку. Каждая дорожка в этой зоне имеет размер 315 904 байт, а дорожка в 15-й зоне содержит только 167 424 байт. При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 10 225 408 секторов (5 235 байт на сторону). Если не ис­пользовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 327-ю секторами и, таким образом, каждая поверхность диска будет содержать 7 084 128 секторов, или 3 627 Мбайт. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 44%.





Рис. 4. Стандартная запись: количество Рис. 5. Зонная: количество
секторов одинаково на всех на дорожках изменяется по мере дорожках перемещения от центра диска




количество секторов —617 на каждую дорожку. Каждая дорожка в этой зоне имеет размер 315 904 байт, а дорожка в 15-й зоне содержит только 167 424 байт. При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 10 225 408 секторов (5 235 байт на сторону). Если не ис­пользовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 327-ю секторами и, таким образом, каждая поверхность диска будет содержать 7 084 128 секторов, или 3 627 Мбайт. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 44%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 28,49 Мбайт/с, что на 89% больше, чем 15,10 Мбайт/с во внутренней зоне (15-й). Именно это свойство диска объясняет различие в результатах измерения параметров диска с помощью программ тестовых пакетов, т.е. каждая программа измеряет скорость передачи данных в различных зонах.

Последняя спецификация ATA-5 (Ultra-ATA/66) поддерживает теоретическую скорость передачи данных 66 Мбайт/с, т.е. скорость интерфейса. Сравните ее с реальной скоростью носителя 15-28 Мбайт/с (средняя 21,8 Мбайт/с).

Метод зонной записи был принят производителями жестких дисков, что позволило повы­сить емкость устройств на 20-50% по сравнению с накопителями, в которых число секторов на дорожке является фиксированным. На сегодняшний день зонная запись используется поч­ти во всех накопителях IDE и SCSI.


6.4.2 Организация разделов на диске

При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть соз­дана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в работе операционных систем чаще других используется три файловые системы.

• FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расши­рения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х и Win­dows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов.
  
• С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.
  
• FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения файлов). Исполь­зуется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В табли­цах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).
  
• NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна только в операционной системе Windows NT/2000. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16x10 байт). NTFS обеспе­чивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми сис­темами, например средства безопасности.
  

Наибольшее распространение в настоящее время получила файловая система FAT32, по­скольку именно она поддерживается большинством существующих операционных систем.

Создание разделов на диске выполняется с помощью поставляемой с операционной сис­темой программы FDISK, используя которую можно выбрать (как в мегабайтах, так и в про­центном выражении) размер основного и дополнительного разделов.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с по­мощью средств операционной системы.


6.5 Форматирование высокого уровня


При форматировании высокого уровня операционная система (Windows 9х, Windows NT или DOS) создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположе­ние файлов и даже “обходит”, во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколь­ко создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. Настоящее форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью DOS-команды FORMAT для гибкого диска осуществляются сразу оба типа формати­рования, а для жесткого — только форматирование высокого уровня. Чтобы выполнить низ­коуровневое форматирование жесткого диска, необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска.


6.6 Основные узлы накопителей на жестких дисках

Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих

узлов и качество исполь­зуемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и прин­ципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопи­теля на жестком диске (рис. 6) относятся следующие:

• диски;
  
• головки чтения/записи;
  
• механизм привода головок;
  
• двигатель привода дисков;
  
• печатная плата со схемами управления;
  
• кабели и разъемы;
  
• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).
  

Д

Рис. 7
иски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размеща­ются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрыва­ют. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы кон­фигурации и монтажные детали) являются съемными.

Рис. 6 Рис. 8

6.7 Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:

• 5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);
  
• 3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);
  
• 2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);
  
• 1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).
  

Рис.9. Линейный привод с подвижной катушкой




6.8 Плата управления

В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом го­ловок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В накопителях IDE контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для SCSI необходимо использовать дополнительную плату расширения.


6.9 Характеристики накопителей на жестких дисках

Если вы собрались покупать новый накопитель или просто хотите разобраться в том, ка­ковы различия между устройствами разных семейств, сравните их параметры. Ниже приведе­ны критерии, по которым обычно оценивают качество жестких дисков.

• Надежность.
  
• Быстродействие.
  
• Противоударная подвеска.
  
• Стоимость.
  

S.M.A.R.T.

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самотестиро-вания, анализа и отчетности) — это новый промышленный стандарт, описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям нако-пителя или указывающие на них. В результате такого отслеживания можно предсказать сбои в работе накопителя. Если на основе отслеживаемых параметров вероятность появления ошибки возрастает, S.M.A.R.T. генерирует для BIOS или драйвера операционной системы отчет о воз-никшей неполадке, который указывает пользователю на необходимость немедленного резервно-го копирования данных до того момента, когда произойдет сбой в накопителе.

На основе отслеживаемых параметров S.M.A.R.T. пытается определить тип ошибки. По данным компании Seagate, 60% ошибок механические. Именно этот тип ошибок и предска-зывается S.M.A.R.T. Естественно, не все ошибки можно предсказать, например появление статического электричества, внезапная встряска или удар, термические перегрузки и т.д.