extracted_text:
принципы управления внешними устройствами персонального
компьютера
ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. ИХ
НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую
часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств в среднем
составляет около 8085% стоимости нашего комплекса. Внешние устройства
обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользователями,
объектами управления и другими компьютерами.
Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемыпорты
вводавывода. Порты вводавывода бывают следующих типов:
 параллельные (обозначаемые LPT1 — LPT4) — обычно используются для
подключения принтеров;
 последовательные (обозначаемые СОМ1 — COM4) — обычно к ним подключаются
мышь, модем и другие устройства.
К внешним устройствам относятся:
 устройства ввода информации;
 устройства вывода информации;
 диалоговые средства пользователя;
 средства связи и телекоммуникации.
К устройствам ввода информации относятся:
 клавиатура — устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и
управляющей информации;

графические планшеты (дигитайзеры) — для ручного ввода графической
информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя
(пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат
его местоположения и ввод этих координат в компьютер;  сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных
носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков,
чертежей;
 устройства указания (графические манипуляторы) — для ввода графической
информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с
последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер
(джойстик, мышь, трекбол, световое перо);
 сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или
команд с полиэкрана дисплея в компьютер).
К устройствам вывода информации относятся:

графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации на
бумажный носитель;
 принтеры — печатающие устройства для вывода информации на бумажный
носитель.
Основные виды принтеров:
 матричные — изображение формируется из точек, печать которых осуществляются
тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Знаки в строке
печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет
качество печати. Недорогие вдринтеры имеют 9 иголок. Более совершенные
матричные принтеры имеют 18 и 24 иглы;
 струйные — в печатающей головке имеются тонкие трубочки — сопла, через
которые на бумагу выбрасываются мельчайщие капельки чернил. Матрица
печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В наВстоящее время
струйные принтеры обеспечивают разрешающую способность до 50 точек на
миллиметр и скорость печати до 500 знаков в секунду при отличном качестве
печати, приближающемся к качеству лазерной печати. Струйные принтеры
выполняют и цветную печать, но разрешающая способность при этом уменьшается
примерно вдвое;
 лазерные — применяется электрографический способ формирования изображений.
Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на
Поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры
невидимого точечного электронного изображения. После проявления электронного Воображения порошком красителя (тонера), налипающей на разряженные участки,
выполняется печать — перенoc тонера с барабана на бумагу и закрепление
изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления. Лазерные принтеры
обеспечивают наиболее высококачественную печать с высоким быстродействием.
Широко используются цветные лазерные принтеры.
К диалоговым средствам пользователя относятся:
 видеотерминалы (мониторы) — устройства для отображения вводимой и
выводимой информации. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и
видеоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного
блока компьютера (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем
материнской платы). Видеомониторы относятся к внешним устройствам
компьютера. Основной характеристикой монитора является разрешающая
способность, которая определяется максимальным количеством точек,
размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Современные
мониторы имеют стандартные значения разрешающей способности от 640 X 480 до
1600 х 1200, но реально могут быть и другие значения. Могут использоваться как
цветные, так и монохромные мониторы;
 устройства речевого вводавывода информации. К ним относятся различные
микрофонные акустические системы, а также различные синтезаторы звука,
выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые
через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
Средства связи и телекоммуникации используются для подключения компьютера к
каналам связи, другим компьютерам и компьютерным сетям. К этой группе прежде всего
относятся сетевые адаптеры. В качестве сетевого адаптера чаще всего используются
модемы (модулятордемодулятор).
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе —
средствам мультимедиа.
Средства мультимедиа — это комплекс аппаратных и программных средств,
позволяющих человеку общаться компьютером, используя самые разные естественные для
себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. К средствам мультимедиа
относятся:
 устройства речевого ввода и вывода информации;  микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизводящие системы с
усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;

звуковые и видеоплаты, платы видеозахвата, снимающие изображение с
видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в компьютер;
 сканеры;
 вешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто
используемые для записи звуковой и видеоинформации.
АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ
УЗЛОВ. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЬЮТЕРА
Компьютер — это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для
накопления, обработки и передач» информации. Под архитектурой персонального
компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства
вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на
определенный интервал времени.
В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные
Джоном фон Нейманом.
Принцип программного управления — программа состоит из набора команд, которые
выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной
последовательности.
Принцип однородности памяти — программы и иные хранятся в одной и той же памяти;
над командами можно выполнять те же действия, что и над данными!
Принцип адресности — основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.
Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру. Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и
взаимное соединение сновных логических узлов компьютера, к которым относятся:
центральный процессор;
основная память;
внешняя память;
периферийные устройства.
Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного
блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В
состав системного блока входят все основные узлы компьютера:
системная плата;
блок питания;
накопитель на жестком магнитном диске;
накопитель на гибком магнитном диске;
накопитель на оптическом диске;
разъемы для дополнительных устройств.
На системной (материнской) плате в свою очередь размещаются:
микропроцессор;
математический сопроцессор;
генератор тактовых импульсов;
микросхемы памяти;
контроллеры внешних устройств;
звуковая и видеокарты; таймер.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально
модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому
комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости
ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип
обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором
и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую
системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на
материнской плате.
Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный
для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и
логических операций над информацией.
Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера,
обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина
обеспечивает три направления передачи информации:
между микропроцессором и основной памятью;
между микропроцессором и портами вводавывода внешних устройств;
между основной памятью и портами вводавывода внешних устройств.
Порты вводавывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты)
подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры
(адаптеры).
Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с
прочими блоками компьютера.
Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая
может быть в дальнейшем использована для решения задач. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых
задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними
импульсами определяет такт работы машины.
Источник питания — это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания
компьютера.
Таймер — это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем
текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и
при отключении компьютера от сети продолжает работать.
Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей
средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:
производительность, быстродействие, тактовая частота. Производительность
современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду;
разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность — это
максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может
выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем
больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и
производительность ПК;
типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают
разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать
разное количество внешних устройств и различные их виды;
емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в
Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей
емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно; емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера
измеряется обычно в Гбайтах;
тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Сейчас применяются накопители
на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие
стандартную емкость 1,44 Мб;
наличие, виды и емкость кэшпамяти. Кэшпамять — это буферная, недоступная для
пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для
ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих
запоминающих устройствах. Наличие кэшпамяти емкостью 256 Кбайт увеличивает
производительность персонального компьютера примерно на 20%;
тип видеомонитора и видеоадаптера;
наличие и тип принтера;
наличие и тип накопителя на компакт дисках CDROM;
наличие и тип модема;
наличие и виды мультимедийных аудиовидеосредств;
имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;
аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и
программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования
на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного
обеспечения, что и на других типах машин;
возможность работы в вычислительной сети;
возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет
выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный
режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим);
надежность. Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно
все заданные ей функции;
стоимость;
габаритами вес.
УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА (ПК) Что такое ПК
Электронновычислительной машины (ЭВМ)бывают самыми разными: от больших,
занимающих целый зал, до маленьких, помещающихся на столе, в портфеле и даже в
кармане. Разные ЭВМ используются для разных целен. Сегодня самым массовым видом
ЭВМ являются персональные компьютеры. Персональные компьютеры (ПК)
предназначены для личного (персонального) использования.
Несмотря на разнообразие моделей ПК, в их устройстве существует
много общего. Об этих общих свойствах и пойдет сейчас речь.
Основные устройства ПК
Персональный компьютер представляет собой набор взаимосвязанных
устройств. Главным в этом наборе является системный блок. В системном блоке
находится «мозг» машины: микропроцессор и внутренняя память. Там же помещаются:
блок электропитания, дисководы, контроллеры внешних устройств. Системный блок
снабжен внутренним вентилятором для охлаждения. Системный блок обычно помещен в
металлический корпус, с наружной стороны которого имеются: клавиша включения
электропитания, щели для установки сменных дисков в дисковые устройства, разъемы
для подключения внешних устройств. К системному блоку подключены клавишное
устройство (клавиатура), монитор (другое название — дисплей) и мышь (манипулятор).
Иногда используются другие типы манипуляторов: джойстик, трекбол и пр.
Дополнительно к ПК могут быть подключены: принтер (устройство печати), модем (для
выхода на телефонную линию связи) и другие Устройство ПК
На рисунке выше показана настольная модель ПК. Кроме того, существуют портативные
модели (ноутбуки) и карманные компьютеры.
Все устройства ПК, кроме процессора и внутренней памяти, называются внешними
устройствами. Каждое внешнее устройство взаимодействует с процессором ПК через
специальный блок, который называется контроллером (от английского «controller» —
«контролер» , «управляющий» ). Существуют контроллер дисковода, контроллер
монитора и т.д.
Магистральный принцип взаимодействия устройств ПК
Принцип, по которому организована информационная связь между процессором,
оперативной памятью и внешними устройствами, похож на принцип телефонной связи.
Процессор через многопроводную линию, которая называется магистралью (другое
название — шина), связывается с другими устройствами Подобно тому как каждый абонент телефонной сети имеет свой номер , каждое
подключаемое к ПК внешнее устройство также получает номер, который выполняет роль
адреса этого устройства. Информация, передаваемая внешнему устройству,
сопровождается его адресом и подается на контроллер В данной аналогии контроллер
подобен телефонному аппарату , который преобразует электрический сигнал, идущий по
проводам, в звук, когда вы слушаете телефон, и преобразует звук в электрический сигнал,
когда вы говорите.
Магистраль — это кабель, состоящий из множества проводов. Характерная
организация магистрали такая: по одной группе проводов (шина данных) передается
обрабатываемая информация, по другой (шина адреса) — адреса памяти или
внешних устройств, к которым обращается процессор. Есть еще третья часть
магистрали — шина управления; по ней передаются управляющие сигналы
(например, проверка готовности устройства к работе, сигнал к началу работы
устройства и др.).
Вопросы и задания
1. Назовите минимальный комплект устройств, составляющих персональный
компьютер
2. Какие устройства входят в состав системного блока?
3. Что такое контроллер? Какую функцию он выполняет?
4. Как физически соединены между собой различные устройства ПК?
5. В чем заключается свойство адресуемости внутренней памяти ЭВМ? 6. Как информация, передаваемая по шине» попадает на нужное устройство?
Общие сведения об ЭВМ. Этапы развития вычислительной техники
Технические и программные средства реализации информационных процессов.
С древнейших времен человек конструирует себе в помощь различные приспособления
для облегчения вычислений. В истории развития вт можно выделить 4 основных
периода:
∙ Домеханический (до середины 17 в) – в 5 веке греки и египтяне использовали абак
устройство, похожее на русские счеты, а китайцы – китайские счеты суанпа.
∙ Механический (1719 в) – в 1642 г. Известный математик, физик, философ блез паскаль
изобрел и изготовил механическое устройствовычислитель, позволяющее складывать
числа; в 1673 г. Немецкий математик лейбниц изобрел арифметическую машину,
выполняющую все 4 действия; в 1821 г. Конструктор чарльз томас усовершенствовал и
наладил серийный выпуск устройства, изобретенного лейбницем, и назвал
его арифмометром (он перемножал 2 восьмизначных числа за 8 секунд); в 1823 г.
Английский математик чарльз бэббидж изобрел первую программируемую
вычислительную машину, содержащую все основные компоненты современных машин.
Эту машину назвалианалитической машиной. Но проект опережал технические
возможности своего времени и не был реализован. Однако первые программы для этой
машины были созданы. Их составила первая женщинапрограммист дочь джона байрона
герцогиня ада лавлейс (в ее честь назван язык ада). Лишь в 40х годах 20 века удалось
создать такую машину на основе электромеханических реле.
∙ Электромеханический (19середина 20 в) – в конце 30х годов 20 века американцы джон
атанасов и к. Берри построили эвм, включавшую в себя электронную память и
электронное устройство сложения и вычитания, а также ряд механических компонент.
∙ Электронный (середина 20 в – наши дни) – в 1946 г. В сша была создана первая
полностью электронная вычислительная машина «эниак», разработанная джоном фон
нейманом; в 1949 г. Подобная машина появилась в англии под руководством уилкса
(кембридж) и называлась edsac; в 1950 г. Была создана в киеве мэсм (малая электронная
счетная машина), а в 1952 г. В москве – бэсм (быстродействующая электронная счетная
машина); в 1969 г. Американская фирма ibm представила публике первую персональную
эвм.
рассмотрим техническое устройство пк. Под архитектурой эвм понимают описание
устройства и принципов работы компьютера, достаточное для пользователя и программиста. Архитектура не включает в себя конструктивные подробности устройства
машины, электронные схемы.
рассмотрим схему устройства компьютера.
Устройство ввода
Внутренняя Память
Внешняя
Память

устройство вывода
Средства связи компьютера с
внешним миром
Средства долговременного
хранения информации
Процессор
Средства хранения
оперативной информации и ее
обработки
компьютер – это программноуправляемое автоматическое устройство для выполнения
любых видов работы с информацией. В состав компьютера входят: процессор, память,
устройства ввода, устройства вывода.
у компьютера имеется внутренняя и внешняя память. Внутренняя – оперативная
память. Внешняя – долговременная память – используется для длительного хранения
информации.
работа компьютера управляется программой, которая во время своего выполнения
находится во внутренней памяти.
основной деталью персонального компьютера является микропроцессор. Это
миниатюрная электронная схема, созданная путем сложной технологии, выполняющая
функцию процессора эвм. Под архитектурой процессора понимается его программная
модель, то есть программновидимые свойства.
Программная модель процессора  это функциональная модель, используемая
программистом при разработке программ в кодах эвм или на языке ассемблера. В такой
модели игнорируются многие аппаратные особенности в работе процессора.
Под микро архитектурой понимается аппаратная реализация этой программной модели.
Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различающиеся микро архитектурные реализации, при этом, естественно,
стремятся к максимальному повышению производительности (скорости исполнения
программ).
В состав микропроцессора (мп) входят арифметикологическое устройство (алу);
устройство управления (уу) и группа регистров.
Арифметикологическое устройство (алу)часть микропроцессора, которая
осуществляет арифметические и логические операции.
Алу обеспечивает выполнение основных операций по обработке информации. Основу алу
составляет сумматор с последовательнопараллельным переносом.
Сумматор  электрическая схема, используемая для сложения двоичных
чисел. Сложение, вычитание, умножение и деление – элементарные операции,
выполняемые алу эвм. Полный набор таких операций называют системой команд, а
схемы их реализации составляют основу алу. Помимо арифметического устройства, алу
включает и логическое устройство, предназначенное для операций, при осуществлении
которых отсутствует перенос из разряда в разряд. Иногда эти операции называют
«логическое и» «и логическое или».
устройство управления (уу)  формирует и подает во все блоки процессора в нужные
моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой
выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек
памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие
блоки эвм.
Устройство управления содержит регистр команд, дешифратор команд и управляющее
устройство, в состав которого входит управляющая память. Управляющая память
содержит микропрограммы всех команд для данного мп.
персональный пк представляет собой комплект устройств. Главным в этом комплекте
является системный блок. В нем находятся мозг машины: центральный процессор и
внутренняя память. Там же помещаются: блок электропитания, дисководы,
контроллеры внешних устройств. Основным в системном блоке является материнская
плата – связующее звено, связующий центр всех остальных узлов компьютера. На ней
находятся две основные микросхемы, называемые чип сетом, определяющим тип
используемого процессора, разъемы для установки центрального процессора, плата
расширения и все контроллеры, отвечающие за ввод, вывод и связь компонентов
системы. Системный блок обычно снабжен внутренним вентилятором для охлаждения. весь системный блок помещен в металлический корпус, на поверхности которого
имеются: клавиша включения электропитания, щели для установки дискет в дисковые
устройства, разъемы для подключения внешних устройств.
кроме системного блока в обязательный, минимальный комплект пк входят клавиатура,
мышь и монитор. Дополнительно к этому минимальному комплекту могут быть
подключены: принтер, джойстик, модем, сканер.
все устройства пк, кроме процессора и внутренней памяти, называются внешними
устройствами. Каждое внешнее устройство взаимодействует с процессором пк
черезспециальный блок, который называется контроллером. Существует контроллер
дисковода, контроллер монитора, контроллер принтера. Задача контроллера –
преобразование информации, поступающей от процессора, в соответствующие сигналы,
управляющие работой устройства. Интересен принцип, по которому организована связь
между процессором, оперативной памятью и внешними устройствами (принцип шинной
организации). Он похож на принцип телефонной связи, и представляет собой так
называемую магистраль, или шину. Так же как и абонент телефонной сети имеет свой
номер, каждое из подключаемых устройств аналогично получает номер, выполняющий
роль адреса данного устройства.
главными характеристиками персонального компьютера является тактовая частота и
разрядность процессора, объем внутренней памяти. Режим работы процессора
задаетсямикросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. На
выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов.
Тактовая частота измеряется в мегагерцах (в самых современных пк в гигагерцах).
Частота в 1 мегагерц соответствует миллиону тактов в секунду.
Разрядностью процессора называют максимальную длину двоичного кода, который
может обрабатываться и передаваться процессором целиком. Разрядность связана с
размером специальных ячеек памяти, которые находятся в самом процессоре. Они
называются регистрами.
одной из основных причин успеха ibm pc является так называемый принцип открытой
архитектуры, примененный к конструкции этих машин. Он предусматривает
возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми компонентами без
замены старых. Можно заменять старые компоненты старыми без замены всего пк, можно
собирать пк по отдельным частям. Основной принцип работы эвм был предложен джоном
фон нейманом и получил название принципа программного управления: принцип
действия эвм, согласно которому переработка машиной исходных данных в конечный результат производится в соответствии с заранее составленной и введенной в память
машины программой.
Принцип работы ПК
При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон
Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон
Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:

● Арифметическологическое устройство — для непосредственного
осуществления вычислений и логических операций.
● Устройство управления — для организации процесса управления программ.
● Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.
● Внешние устройства — для ввода и вывода информации.

Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует
принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров
несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо
логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в
центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры
осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
Компьютерная информация хранится в электронном виде в различных
запоминающих устройствах, которые называют компьютерной памятью. Для
долговременного хранения информации используются постоянные носители
компьютерной памяти, которые служат при вводе данных в компьютер и при
выводе результатов его работы. Для хранения выполняемых в данный момент
программ и промежуточных данных используется оперативная память
компьютера, которая работает значительно быстрее постоянных носителей
памяти.
В компьютерах используется двоичная система счисления, которая основана на
двух цифрах,«0» и «1». Информация любого типа может быть закодирована с использованием двух цифр и помещена в оперативную или постоянную память
компьютера. Использование двоичной системы счисления позволяет сделать
устройство компьютера максимально простым. Впервые принцип двоичного
счисления был сформулирован в 17 веке немецким математиком Готфридом
Лейбницем.
Для обозначения двоичных цифр применяется термин бит — сокращение
английского словосочетания «двоичная цифра» (binary digit — bit). Для
передачи и хранения информации применяют восьмибитовые коды
— байты (byte). Существует 256 восьмибитовых чисел. Этого достаточно для
кодирования всех заглавных и строчных букв национальных алфавитов, цифр,
знаков препинания, символов и служебных кодов, используемых при передаче
информации.
В байтах измеряют количество информации. В одном байте достаточно
информации для представления одной буквы алфавита или двух десятичных
цифр. Килобайт (Кбайт) равен 210 байт = 1024 байтам, мегабайт (1 Мбайт = 1024
Кбайт = 1048576 байт), гигабайт (1 Гбайт = 1024 Мбайт = 1073741824 байт).
Современные носители информации имеют емкость до нескольких гигабайт.
Работа компьютера обеспечивается, с одной стороны, аппаратными
устройствами, а с другой — программами. Аппаратное обеспечение включает в
себя внутренние компоненты (прежде всего интегральные микросхемы, в том
числе процессоры, а также системные и интерфейсные платы) и внешние
устройства (мониторы, принтеры, модемы, акустические системы).
Компьютерные программы подразделяются на три категории:
Прикладные программы, которые непосредственно выполняют необходимые
пользователю компьютера работы (редактирование текстов, обработка
информационных массивов, просмотр видео, пересылка сообщений).
Системные программы, особую роль среди которых играет операционная
система — программа, управляющая компьютером, запускающая другие
программы и выполняющая сервисные функции при работе компьютера.
Другие сервисные программы обычно выполняют различные вспомогательные
функции — создают резервные копии используемой информации, проверяют
работоспособность устройств компьютеров. Инструментальные программы (системы программирования), которые
помогают создавать новые программы для компьютера.

file_name: принципы управления внешними устройствами персонального компьютера.docx

intro:
ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств в среднем составляет около 80-85% стоимости нашего комплекса. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы-порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:
•	параллельные (обозначаемые LPT1 — LPT4) — обычно используются для подключения принтеров;
•	последовательные (обозначаемые СОМ1 — COM4) — обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.

title: Принципы управления внешними устройствами персонального компьютера


extracted_text:
Система прерываний, регистры и модель доступа к памяти.
 Общее устройство памяти
 Система прерываний
 Модель прямого доступа к памяти
Общее устройство памяти
Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов,
объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения
памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер
байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого
компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не
исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное
слово).
Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число,
либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.
Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:
Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7
ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО
СЛОВО
СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО
Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт,
Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые
сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму
хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Система прерываний
Для обработки событий, происходящих асинхронно по отношению к выполнению
программы, лучше всего подходит механизм прерываний.
Прерывание можно рассматривать как некоторое особое событие в системе, требующее
моментальной реакции. Например, хорошо спроектированные системы повышенной
надежности используют прерывание по аварии в питающей сети для выполнения процедур
записи содержимого регистров и оперативной памяти на магнитный носитель, с тем чтобы
после восстановления питания можно было продолжить работу с того же места.
Кажется очевидным, что возможны самые разнообразные прерывания по самым различным
причинам. Поэтому прерывание рассматривается не просто как таковое, с ним связывают
число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания. С каждым
номером прерывания связывается то или иное событие. Система умеет распознавать, какое
прерывание, с каким номером произошло и запускает соответствующую этому номеру
процедуру.
Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они
используют команду INT. Это так называемые программные прерывания. Программные
прерывания не являются асинхронными, так как вызываются из программы (а онато знает,
когда она вызывает прерывание!).
Программные прерывания удобно использовать для организации доступа к отдельным,
общим для всех программ модулям. Например, программные модули операционной системы
доступны прикладным программам именно через прерывания, и нет необходимости при
вызове этих модулей знать их текущий адрес в памяти. Прикладные программы могут сами
устанавливать свои обработчики прерываний для их последующего использования другими
программами. Для этого встраиваемые обработчики прерываний должны быть резидентными
в памяти.
Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и приходят асинхронно.
Эти прерывания информируют систему о событиях, связанных с работой устройств,
например о том, что наконецто завершилась печать символа на принтере и неплохо было бы
выдать следующий символ, или о том, что требуемый сектор диска уже прочитан его
содержимое доступно программе. Использование прерываний при работе с медленными внешними устройствами позволяют совместить ввод/вывод с обработкой данных в
центральном процессоре и в результате повышает общую производительность системы.
Некоторые прерывания (первые пять в порядке номеров) зарезервированы для
использования самим центральным процессором на случай какихлибо особых событий
вроде попытки деления на ноль, переполнения и т.п.
Иногда желательно сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям.
Для этого используют так называемое маскирование прерываний. Но некоторые
прерывания замаскировать нельзя, это немаскируемые прерывания.
Заметим еще, что обработчики прерываний могут сами вызывать программные прерывания,
например, для получения доступа к сервису BIOS или DOS (сервис BIOS также доступен
через механизм программных прерываний).
Составление собственных программ обработки прерываний и замена стандартных
обработчиков DOS и BIOS является ответственной и сложной работой. Необходимо
учитывать все тонкости работы аппаратуры и взаимодействия программного и аппаратного
обеспечения. При отладке возможно разрушение операционной системы с
непредсказуемыми последствиями, поэтому надо очень внимательно следить за тем, что
делает Ваша программа.
Для того чтобы связать адрес обработчика прерывания с номером прерывания,
используется таблица векторов прерываний, занимающая первый килобайт оперативной
памяти  адреса от 0000:0000 до 0000:03FF. Таблица состоит из 256 элементов  FAR
адресов обработчиков прерываний. Эти элементы называются векторами прерываний. В
первом слове элемента таблицы записано смещение, а во втором  адрес сегмента
обработчика прерывания.
Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1
0000:0004 и т.д.
Инициализация таблицы происходит частично BIOS после тестирования аппаратуры и перед
началом загрузки операционной системой, частично при загрузке DOS. DOS может
переключить на себя некоторые прерывания BIOS.
Рассмотрим содержимое таблицы векторов прерываний. Приведем назначение некоторых
наиболее важных векторов:
Номер
Описание
0
Ошибка деления. Вызывается автоматически после выполнения команд DIV или IDIV, если в результате деления
происходит переполнение (например, при делении на 0). DOS
обычно при обработке этого прерывания выводит сообщение
об ошибке и останавливает выполнение программы. Для
процессора 8086 при этом адрес возврата указывает на
следующую после команды деления команду, а в процессоре
80286  на первый байт команды, вызвавшей прерывание.
Прерывание пошагового режима. Вырабатывается после
выполнения каждой машинной команды, если в слове флагов
установлен бит пошаговой трассировки TF. Используется для
отладки программ. Это прерывание не вырабатывается после
выполнения команды MOV в сегментные регистры или после
загрузки сегментных регистров командой POP.
Аппаратное немаскируемое прерывание. Это прерывание
может использоваться поразному в разных машинах. Обычно
вырабатывается при ошибке четности в оперативной памяти и
при запросе прерывания от сопроцессора.
Прерывание для трассировки. Это прерывание генерируется
при выполнении однобайтовой машинной команды с кодом
CCh и обычно используется отладчиками для установки точки
прерывания.
Переполнение. Генерируется машинной командой INTO, если
установлен флаг OF. Если флаг не установлен, то команда
INTO выполняется как NOP. Это прерывание используется
для обработки ошибок при выполнении арифметических
операций.
Печать копии экрана. Генерируется при нажатии на
клавиатуре клавиши PrtScr. Обычно используется для печати
образа экрана. Для процессора 80286 генерируется при
выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое
значение вышло за пределы заданного диапазона.
Неопределенный код операции или длина команды больше 10
байт (для процессора 80286).
1
2
3
4
5
6 7
8
9
A
B
C
D
E
F
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Особый случай отсутствия математического сопроцессора
(процессор 80286).
IRQ0  прерывание интервального таймера, возникает 18,2
раза в секунду.
IRQ1  прерывание от клавиатуры. Генерируется при нажатии
и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных от
клавиатуры.
IRQ2  используется для каскадирования аппаратных
прерываний в машинах класса AT.
IRQ3  прерывание асинхронного порта COM2.
IRQ4  прерывание асинхронного порта COM1.
IRQ5  прерывание от контроллера жесткого диска для XT.
IRQ6  прерывание генерируется контроллером флоппидиска
после завершения операции.
IRQ7  прерывание принтера. Генерируется принтером, когда
он готов к выполнению очередной операции. Многие адаптеры
принтера не используют это прерывание.
Обслуживание видеоадаптера.
Определение конфигурации устройств в системе.
Определение размера оперативной памяти в системе.
Обслуживание дисковой системы.
Последовательный ввод/вывод.
Расширенный сервис для ATкомпьютеров.
Обслуживание клавиатуры.
Обслуживание принтера.
Запуск BASIC в ПЗУ, если он есть.
Загрузка операционной системы. 1A
1B
1C
1D
1E
1F
205F
6067
686F
70
71
72
73
74
75
76
77
Обслуживание часов.
Обработчик прерывания CtrlBreak.
Прерывание возникает 18.2 раза в секунду, вызывается
программно обработчиком прерывания таймера.
Адрес видеотаблицы для контроллера видеоадаптера 6845.
Указатель на таблицу параметров дискеты.
Указатель на графическую таблицу для символов с кодами
ASCII 128255.
Используется DOS или зарезервировано для DOS.
Прерывания, зарезервированные для пользователя.
Не используются.
IRQ8  прерывание от часов реального времени.
IRQ9  прерывание от контроллера EGA.
IRQ10  зарезервировано.
IRQ11  зарезервировано.
IRQ12  зарезервировано.
IRQ13  прерывание от математического сопроцессора.
IRQ14  прерывание от контроллера жесткого диска.
IRQ15  зарезервировано.
78  7F
Не используются.
8085
86F0
F1FF
Зарезервированы для BASIC.
Используются интерпретатором BASIC.
Не используются.
IRQ0IRQ15  это аппаратные прерывания. Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает
необходимость их обслуживания. Например, по прерыванию таймера соответствующий
обработчик прерывания увеличивает содержимое ячеек памяти, используемых для хранения
времени. В отличие от программных прерываний, вызываемых запланировано самой
прикладной программой, аппаратные прерывания всегда происходят асинхронно по
отношению к выполняющимся программам. Кроме того, может возникнуть одновременно
сразу несколько прерываний!
Для того, чтобы система "не растерялась", решая какое прерывание обслуживать в первую
очередь, существует специальная схема приоритетов. Каждому прерыванию назначается
свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то
система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время
обработку остальных прерываний.
Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0  IRQ15 (для машин класса XT
существуют только уровни IRQ0  IRQ7).
Для машин XT приоритеты линейно зависели от номера уровня прерывания. IRQ0
соответствовало самому высокому приоритету, за ним шли IRQ1, IRQ2, IRQ3 и так далее.
Уровень IRQ2 в машинах класса XT был зарезервирован для дальнейшего расширения
системы. И начиная с машин класса AT IRQ2 стал использоваться для каскадирования
контроллеров прерывания 8259. Добавленные приоритетные уровни IRQ8  IRQ15 в этих
машинах располагаются по приоритету между IRQ1 и IRQ3.
Приведем таблицу аппаратных прерываний, расположенных в порядке приоритета:
Номер
Описание
8
9
A
70
71
IRQ0 прерывание интервального таймера,
возникает 18,2 раза в секунду.
IRQ1 прерывание от клавиатуры. Генерируется
при нажатии и при отжатии клавиши.
Используется для чтения данных с клавиатуры.
IRQ2 используется для каскадирования
аппаратных прерываний в машинах класса AT.
IRQ8 прерывание от часов реального времени.
IRQ9 прерывание от контроллера EGA. 72
73
74
75
76
77
B
C
D
E
F
IRQ10 зарезервировано.
IRQ11 зарезервировано.
IRQ12 зарезервировано.
IRQ13 прерывание от математического
сопроцессора.
IRQ14 прерывание от контроллера жесткого
диска.
IRQ15 зарезервировано.
IRQ3 прерывание асинхронного порта COM2.
IRQ4 прерывание асинхронного порта COM1.
IRQ5 прерывание от контроллера жесткого
диска для XT.
IRQ6 прерывание генерируется контроллером
флоппи диска после завершения операции
IRQ7 прерывание принтера. Генерируется
принтером, когда он готов к выполнению
очередной операции. Многие адаптеры принтера
не используют это прерывание.
Из таблицы видно, что самый высокий приоритет у прерываний от интервального таймера,
затем идет прерывание от клавиатуры.
Для управления схемами приоритетов необходимо знать внутреннее устройство
контроллера прерываний 8259. Поступающие прерывания запоминаются в регистре запроса
на прерывание IRR. Каждый бит из восьми в этом регистре соответствует прерыванию.
После проверки на обработку в настоящий момент другого прерывания запрашивается
информация из регистра обслуживания ISR. Перед выдачей запроса на прерывание в
процессор проверяется содержимое восьмибитового регистра маски прерываний IMR. Если
прерывание данного уровня не замаскировано, то выдается запрос на прерывание.
Наиболее интересными с точки зрения программирования контроллера прерываний
являются регистры маски прерываний IMR и управляющий регистр прерываний. В машинах класса XT регистр маски прерываний имеет адрес 21h, управляющий регистр
прерываний  20h. Для машин AT первый контроллер 8259 имеет такие же адреса, что и в
машинах XT, регистр маски прерываний второго контроллера имеет адрес A1h,
управляющий регистр прерываний  A0h.
Разряды регистра маски прерываний соответствуют номерам IRQ. Для того, чтобы
замаскировать аппаратное прерывание какоголибо уровня, надо заслать в регистр маски
байт, в котором бит, соответствующий этому уровню, установлен в 1. Например, для
маскирования прерываний от НГМД в порт 21h надо заслать двоичное число 01000000.
Программируемый контроллер прерываний 8259 предназначен для обработки до восьми
приоритетных уровней прерываний. Возможно каскадирование микросхем, при этом общее
число уровней прерываний будет достигать 64.
Контроллер 8259 имеет несколько режимов работы, которые устанавливаются программным
путем. В персональных компьютерах XT и AT за первоначальную установку режимов
работы микросхем 8259 отвечает BIOS.
Каждому приоритетному уровню прерывания микросхема ставит в соответствие
определенный, задаваемый программно, номер прерывания. В разделе книги, посвященном
особенностям обработки аппаратных прерываний, приводится такое соответствие для
машин типа XT и AT.
Для обработки прерываний контроллер имеет несколько внутренних регистров. Это регистр
запросов прерываний IRR, регистр обслуживания прерываний ISR, регистр маски
прерываний IMR. В регистре IRR хранятся запросы на обслуживание прерываний от
аппаратуры. После выработки сигнала прерывания центральному процессору
соответствующий разряд регистра ISR устанавливается в единичное состояние, что
блокирует обслуживание всех запросов с равным или более низким приоритетом. Устранить
эту блокировку можно либо сбросом соответствующего бита в ISR, либо командой
специального маскирования.
Имеется два типа команд, посылаемых программой в контроллер 8259  команды
инициализации и команды операции. Возможны следующие операции:
 индивидуальное маскирование запросов прерывания;
 специальное маскирование обслуженных запросов;
 установка статуса уровней приоритета (по установке исходного состояния, по
обслуженному запросу, по указанию);  операции конца прерывания (обычный конец прерывания, специальный конец
прерывания, автоматический конец прерывания);
 чтение регистров IRR, ISR, IMR.

Модель прямого доступа к памяти
Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access  DMA) используется для выполнения
операций передачи данных непосредственно между оперативной памятью и устройствами
ввода/вывода. Обычно это такие устройства, как НГМД, НМД, кассетные накопители на
магнитной ленте КНМЛ (стримеры).
При использовании DMA процессор не участвует в операциях ввода/вывода, контроллер
прямого доступа сам формирует все сигналы, необходимые для обмена данными с
устройством. Скорость такого непосредственного обмена значительно выше, чем при
традиционном вводе/выводе с использованием центрального процессора и команд INP, OUT.
Контроллер прямого доступа для IBM PC/XT реализован на базе микросхемы Intel 8237A
и содержит четыре канала. Эти каналы используются следующим образом:
0
1
2
3
обновление содержимого динамической памяти
компьютера, этот канал имеет наивысший
приоритет;
не используется;
адаптер накопителя на гибком магнитном диске
(НГМД);
адаптер накопителя на магнитном диске (НМД)
этот канал имеет низший приоритет.
Каждый канал содержит 16разрядные регистры:
 регистр текущего адреса CAR, содержит текущий адрес ячейки памяти при
выполнении операции обмена данными с использованием DMA;  регистр циклов прямого доступа к памяти CWR, содержит число слов,
предназначенных для передачи минус единица; при выполнении обмена данными
регистр работает в режиме вычитания;
 регистр хранения базового адреса BAR, используется для хранения базового адреса
памяти, используемого при передачи данных; в процессе работы канала DMA
содержимое этого регистра не изменяется;
 регистр хранения базового числа циклов прямого доступа к памяти WCR; он хранит
число циклов DMA, его содержимое также не изменяестя;
 регистр режима MR, определяющий режим работы канала.
Для инициализации канала программа должна выполнить следующие шаги:
 сбросить триггер байтов командой записи в регистр 0Ch;




задать режим работы канала, выполнив запись по адресу 0Bh в регистр режима MR;
заслать младшие 16 битов 20битового адреса области памяти, которая будет
использована для передачи данных, в регистр базового адеса (адрес порта зависит от
номера канала: 0 канал использует адрес 00h, 1 канал  02h, 2 канал  04h, 3 канал
06h);
заслать номер страницы (старшие 4 бита 20битового адреса) в регистр страниц 81h;
загрузить регистр циклов прямого доступа к памяти CWR значением, на 1 меньше
требуемого количества передаваемых байтов (адреса этих портов для каналов 0...3,
соответственно, 01h, 03h, 05h, 07h;
 разрешить работу канала, выполнив запись в регистр маски каналов по адресу 0Ah.
Сразу после разрешения канал начинает передачу данных. После окончания передачи
данных устройство обычно вырабатывает прерывание, которое служит признаком окончания
передачи данных.
Контроллер DMA компьютера IBM AT совместим снизу вверх с контролером IBM
PC/XT. Он состоит из двух каскадно включенных микросхем Intel 8237A5. Второй
контроллер обслуживает каналы DMA с номерами 47.
Приведем назначение каналов DMA для IBM AT:
0
зарезервировано; 1
2
3
4
управление синхронной передачей данных SDLC
(Synchronous Data Link Control);
адаптер накопителя на гибком магнитном диске
(НГМД);
адаптер накопителя на магнитном диске (НМД);
используется для каскадного соединения с
первым контроллером DMA;
56
зарезервировано.
Другое отличие  это разрядность каналов. Каналы 03 являются каналами 8битовой
передачи данных, а каналы 47 обеспечивают 16битовую передачу данных. В связи с этим
используются все 8 битов регистров страниц. Формируется 24битовый адрес из 16ти
младших битов адреса, записываемых в базовые регистры и 8ми старших битов адреса,
записываемых в регистры страниц.
Размер страницы составляет 128 килобайт, поэтому при передаче данных с использованием
DMA не должна пересекаться граница 128 килобайт.
Приведем назначение и адреса регистров страниц контроллера для IBM AT:
81h
82h
83h
87h
89h
8Bh
8Ah
8Fh
Регистр страниц канала 2
Регистр страниц канала 3
Регистр страниц канала 1
Регистр страниц канала 0
Регистр страниц канала 6
Регистр страниц канала 5
Регистр страниц канала 7
Регенерация динамической памяти
Для 16битовых каналов 47 передача данных начинается с границы слова и все адреса
относятся к 16битовым словам.
Порты 0C0h  0DFh Эти регистры содержат базовые адреса и счетчики передаваемых данных каналов 47. Их
назначение приводится в следующей таблице:
0C0h
Запись:
Базовый адрес канала 4
Чтение:
Текущий адрес
0C2h
Запись:
Счетчик канала 4
Чтение:
Текущий адрес
0C4h
Запись:
Базовый адрес канала 5
Чтение:
Текущий адрес
0C6h
Запись:
Счетчик канала 5
Чтение:
Текущий адрес
0C8h
Запись:
Базовый адрес канала 6
Чтение:
Текущий адрес
0CAh
Запись:
Счетчик канала 6
Чтение:
Текущий адрес
0CCh
Запись:
Базовый адрес канала 7
Чтение:
Текущий адрес
0CEh
Запись:
Счетчик канала 7
Чтение:
Текущий адрес
Порты 0D0h0DFh
Это управляющие порты и порты состояния второй микросхемы 8237A5. По формату и
назначению они соответствуют рассмотренным ранее для контроллера DMA компьютеров
IBM PC/XT:
0D0h
0D2h
0D4h
0D6h
Управляющий регистр / регистр состояния
Регистр запроса
Регистр маски
Регистр режима 0D8h
Сброс триггера байтов
0DAh
Сброс контроллера
0DCh
Сброс регистра маски
0DEh Маскирование/размаскирование каналов
Организация прерываний в микроЭВМ
Одной из разновидностей программноуправляемого обмена данными с ВУ в микроЭВМ
является обмен с прерыванием программы, отличающийся от асинхронного программно
управляемого обмена тем, что переход к выполнению команд, физически реализующих
обмен данными, осуществляется с помощью специальных аппаратных средств. Команды
обмена данными в этом случае выделяют в отдельный программный модуль  подпрограмму
обработки прерывания. Задачей аппаратных средств обработки прерывания в процессоре
микроЭВМ как раз и является приостановка выполнения одной программы (ее еще называют
основной программой) и передача управления подпрограмме обработки прерывания.
Действия, выполняемые при этом процессором, как правило, те же, что и при обращении к
подпрограмме. Только при обращении к подпрограмме они инициируются командой, а при
обработке прерывания  управляющим сигналом от ВУ, который называют "Запрос на
прерывание" или "Требование прерывания".
Эта важная особенность обмена с прерыванием программы позволяет организовать обмен
данными с ВУ в произвольные моменты времени, не зависящие от программы, выполняемой
в микроЭВМ. Таким образом, появляется возможность обмена данными с ВУ в реальном
масштабе времени, определяемом внешней по отношению к микроЭВМ средой. Обмен с
прерыванием программы существенным образом экономит время процессора, затрачиваемое
на обмен. Это происходит за счет того, что исчезает необходимость в организации
программных циклов ожидания готовности ВУ (см. примеры 2.1 и 2.2, Параллельная
передача данных), на выполнение которых тратится значительное время, особенно при
обмене с медленными ВУ.
Прерывание программы по требованию ВУ не должно оказывать на прерванную программу
никакого влияния кроме увеличения времени ее выполнения за счет приостановки на время
выполнения подпрограммы обработки прерывания. Поскольку для выполнения
подпрограммы обработки прерывания используются различные регистры процессора
(счетчик команд, регистр состояния и т.д.), то информацию, содержащуюся в них в момент
прерывания, необходимо сохранить для последующего возврата в прерванную программу. Обычно задача сохранения содержимого счетчика команд и регистра состояния процессора
возлагается на аппаратные средства обработки прерывания. Сохранение содержимого
других регистров процессора, используемых в подпрограмме обработки прерывания,
производится непосредственно в подпрограмме. Отсюда следует достаточно очевидный
факт: чем больший объем информации о прерванной программе сохраняется программным
путем, тем больше время реакции микроЭВМ на сигнал прерывания, и наоборот.
Предпочтительными с точки зрения повышения производительности микроЭВМ
(сокращения времени выполнения подпрограмм обработки, а, следовательно, и основной
программы) являются уменьшение числа команд, обеспечивающих сохранение информации
о прерванной программе, и реализация этих функций аппаратными средствами.
Формирование сигналов прерываний  запросов ВУ на обслуживание происходит в
контроллерах соответствующих ВУ. В простейших случаях в качестве сигнала прерывания
может использоваться сигнал "Готовность ВУ", поступающий из контроллера ВУ в
системный интерфейс микроЭВМ. Однако такое простое решение обладает существенным
недостатком  процессор не имеет возможности управлять прерываниями, т. е. разрешать
или запрещать их для отдельных ВУ. В результате организация обмена данными в режиме
прерывания с несколькими ВУ существенно усложняется.
Рис. 3.11. Фрагмент блоксхемы контроллера ВУ с разрядом "Разрешение прерывания" в
регистре состояния и управления Для решения этой проблемы регистр состояния и управления контроллера ВУ (рис. 3.11)
дополняют еще одним разрядом  "Разрешение прерывания". Запись 1 или 0 в разряд
"Разрешение прерывания" производится программным путем по одной из линий шины
данных системного интерфейса. Управляющий сигнал системного интерфейса "Запрос на
прерывание" формируется с помощью схемы совпадения только при наличии единиц в
разрядах "Готовность ВУ" и "Разрешение прерывания" регистра состояния и управления
контроллера.
Аналогичным путем решается проблемам управления прерываниями в микроЭВМ, в целом.
Для этого в регистре состояния процессора выделяется разряд, содержимое которого
определяет, разрешены или запрещены прерывания от внешних устройств. Значение этого
разряда может устанавливаться программным путем.
В микроЭВМ обычно используется одноуровневая система прерываний, т. е. сигналы
"Запрос на прерывание" от всех ВУ поступают на один вход процессора. Поэтому возникает
проблема идентификации ВУ, запросившего обслуживание, и реализации заданной
очередности (приоритета) обслуживания ВУ при одновременном поступлении нескольких
сигналов прерывания. Существуют два основных способа идентификации ВУ, запросивших
обслуживания:
 программный опрос регистров состояния (разряд "Готовность ВУ") контроллеров всех
ВУ;
 использование векторов прерывания.
Организация прерываний с программным опросом готовности предполагает наличие в
памяти микроЭВМ единой подпрограммы обслуживания прерываний от всех внешних
устройств. Структура такой подпрограммы приведена на рис. 3.12. Рис. 3.12. Структура единой программы обработки прерываний и ее связь с основной
программой
Обслуживание ВУ с помощью единой подпрограммы обработки прерываний производится
следующим образом. В конце последнего машинного цикла выполнения очередной команды
основной программы процессор проверяет наличие требования прерывания от ВУ. Если
сигнал прерывания есть и в процессоре прерывание разрешено, то процессор переключается
на выполнение подпрограммы обработки прерываний.
После сохранения содержимого регистров процессора, используемых в подпрограмме,
начинается последовательный опрос регистров состояния контроллеров всех ВУ,
работающих в режиме прерывания. Как только подпрограмма обнаружит готовое к обмену
ВУ, сразу выполняются действия по его обслуживанию. Завершается подпрограмма
обработки прерывания после опроса готовности всех ВУ и восстановления содержимого
регистров процессора. Приоритет ВУ в микроЭВМ с программным опросом готовности внешнего устройства
однозначно определяется порядком их опроса в подпрограмме обработки прерываний. Чем
раньше в подпрограмме опрашивается готовность ВУ, тем меньше время реакции на его
запрос и выше приоритет. Необходимость проверки готовности всех внешних устройств
существенно увеличивает время обслуживания тех ВУ, которые опрашиваются последними.
Это является основным недостатком рассматриваемого способа организации прерываний.
Поэтому обслуживание прерываний с опросом готовности ВУ используется только в тех
случаях, когда отсутствуют жесткие требования на время обработки сигналов прерывания
внешних устройств.
Организация системы прерываний в микроЭВМ с использованием векторов прерываний
позволяет устранить указанный недостаток. При такой организации системы прерываний
ВУ, запросившее обслуживания, само идентифицирует себя с помощью вектора прерывания
 адреса ячейки основной памяти микроЭВМ, в которой хранится либо первая команда
подпрограммы обслуживания прерывания данного ВУ, либо адрес начала такой
подпрограммы. Таким образом, процессор, получив вектор прерывания, сразу
переключается на выполнение требуемой подпрограммы обработки прерывания. В
микроЭВМ с векторной системой прерывания каждое ВУ должно иметь собственную
подпрограмму обработки прерывания.
Различают векторные системы с интерфейсным и внеинтерфейсным вектором. В первом
случае вектор прерывания (или его адрес) формирует контроллер ВУ, запросившего
обслуживания, во втором  контроллер прерываний, общий для всех устройств, работающих
в режиме прерываний (IBMсовместимые персональные компьютеры).
Рассмотрим организацию векторной системы с интерфейсным вектором. Вектор прерывания
(или его адрес) выдается контроллером не одновременно с запросом на прерывание, а
только по разрешению процессора, как это реализовано в схеме на рис. 3.13. Это делается
для того, чтобы исключить одновременную выдачу векторов прерывания от нескольких ВУ.
В ответ на сигнал контроллера ВУ "Запрос на прерывание" процессор формирует
управляющий сигнал "Предоставление прерывания (вх.)", который разрешает контроллеру
ВУ, запросившему обслуживание, выдачу вектора прерывания в шину адреса системного
интерфейса. Для этого в контроллере используются регистр вектора прерывания и схема
совпадения И3. Регистр вектора прерывания обычно реализуется с помощью перемычек или
переключателей, что позволяет пользователю устанавливать для конкретных ВУ требуемые
значения векторов прерывания. Рис. 3.13. Формирование векторов прерывания в контроллере ВУ
Управляющий сигнал "Предоставление прерывания (вых.)" формируется в контроллере ВУ
с помощью схемы совпадения И2. Этот сигнал используется для организации
последовательного аппаратного опроса готовности ВУ и реализации тем самым требуемых
приоритетов ВУ. Процессор при поступлении в него по общей линии системного интерфейса
"Запрос на прерывание" сигнала прерывания формирует управляющий сигнал
"Предоставление прерывания (вх.)", который поступает сначала в контроллер ВУ с
наивысшим приоритетом (рис. 3.14). Если это устройство не требовало обслуживания, то
его контроллер пропускает сигнал "Предоставление прерывания" на следующий контроллер,
иначе дальнейшее распространение сигнала прекращается и контроллер выдает вектор
прерывания на адресноинформационную шину. Рис. 3.14. Реализация приоритетов ВУ в микроЭВМ с векторной системой прерываний с
интерфейсным вектором (ППР (вх.)  "Предоставление прерывания (входной)"; "ППР (вых.)
 Предоставление прерывания (выходной)")
Аппаратный опрос готовности ВУ производится гораздо быстрее, нежели программный. Но
если обслуживания запросили одновременно два или более ВУ, обслуживание менее
приоритетных ВУ будет отложено на время обслуживания более приоритетных, как и в
системе прерывания с программным опросом.
Рассмотренная векторная система прерываний практически полностью соответствует
системе прерываний, реализованной в микроЭВМ "Электроника60". Восьмиразрядный
вектор прерывания в "Электронике60" указывает одну из ячеек памяти с адресами от 0 до
(376)8, в которой размещается адрес начала подпрограммы обработки прерывания. В
следующей за указанной вектором прерывания ячейке памяти хранится новое содержимое
регистра состояния процессора, загружаемое в него при переключении на подпрограмму
обработки прерывания. Один из бит нового содержимого регистра состояния процессора
запрещает или разрешает прерывания от других ВУ, что позволяет ВУ с более высоким
приоритетом прерывать подпрограммы обслуживания ВУ с меньшим приоритетом и
наоборот.
Векторная система с внеинтерфейсным вектором прерывания используется в IBM
совместимых персональных компьютерах. В этих компьютерах контроллеры внешних
устройств не имеют регистров для хранения векторов прерывания, а для идентификации
устройств, запросивших обслуживания, используется общий для всех ВУ контроллер
прерываний. Ниже приведен пример контроллера прерываний INTEL 8259A.
БИС программируемого контроллера прерываний (ПКП) представляет собой устройство,
реализующее до восьми уровней запросов на прерывания с возможностью программного
маскирования и изменения порядка обслуживания прерываний. За счет каскадного
включения БИС ПКП число уровней прерывания может быть расширено до 64 (в
архитектуре персонального компьютера IBM PC AT  16). Структурная схема ПКП приведена на рисунке 3.15.
Рис. 3.15. Контроллер прерываний Intel 8259A
В состав БИС входят:
RGI  регистр запретов прерываний; хранит все уровни, на которые поступают запросы
IRQx;
PRB  схема принятия решений по приоритетам; схема идентифицирует приоритет запросов
и выбирает запрос с наивысшим приоритетом;
ISR  регистр обслуживаемых прерываний; сохраняет уровни запросов прерываний,
находящиеся на обслуживании ПКП;
RGM  регистр маскирования прерываний; обеспечивает запрещение одной или нескольких
линий запросов прерывания;
BD  буфер данных; предназначен для сопряжения ПКП с системной шиной данных;
RWCU  блок управления записью/чтением; принимает управляющие сигналы от
микропроцессора и задает режим функционирования ПКП;
CMP  схема каскадного буферакомпаратора; используется для включения в систему
нескольких ПКП;
CU  схема управления; вырабатывает сигналы прерывания и формирует трехбайтовую
команду CALL для выдачи на шину данных. Установка ПКП в исходное состояние и "настройка" его на определенный режим
обслуживания прерываний происходит с помощью двух типов команд: команд
инициализации (ICW) и команд управления операциями (OCW).
Программируемый контроллер прерываний (ПКП) имеет 16 входов запросов прерываний
(IRQ 0  IRQ 15). Контроллер состоит из двух каскадно включенных контроллеров  выход
INTR (запрос на прерывание) второго контроллера подключен ко входу IRQ 2 первого
контроллера. В качестве примера отметим, что к линии IRQ 0 подключен системный таймер,
к линии IRQ 1  клавиатура, к линии IRQ 8  часы реального времени и т.д.
Упрощенная схема взаимодействия контроллера прерываний с процессором и контроллером
шины имеет следующий вид.
Рис. 3.16. Упрощенная схема взаимодействия контроллера прерываний с процессором и
контроллером шины в IBMсовместимых персональных компьютерах класса AT
Эта схема функционирует следующим образом. Пусть в некоторый момент времени
контроллер клавиатуры с помощью единичного сигнала по линии IRQ 1 известил контроллер
прерываний о своей готовности к обмену. В ответ на запрос контроллер прерываний
генерирует сигнал INTR (запрос на прерывание) и посылает его на соответствующий вход
процессора. Процессор, если маскируемые прерывания разрешены (т.е. установлен флаг
прерываний IF в регистре флагов процессора), посылает на контроллер шины сигналы R#
чтение, C#  управление и IO#  ввод/вывод, определяющие тип цикла шины. Контроллер
шины, в свою очередь, генерирует два сигнала подтверждения прерывания INTA# и
направляет их на контроллер прерываний. По второму импульсу контроллер прерываний
выставляет на шину данных восьмибитный номер вектора прерывания, соответствующий
данной линии IRQ.
В режиме реального адреса ("реальном" режиме) векторы прерываний хранятся в таблице
векторов прерываний, которая находится в первом килобайте оперативной памяти. Под каждый вектор отведено 4 байта (2 байта под адрес сегмента и 2 байта под смещение), т.е. в
таблице может содержаться 256 векторов. Адрес вектора в таблице  номер вектора * 4.
Далее процессор считывает номер вектора прерывания. Сохраняет в стеке содержимое
регистра флагов, сбрасывает флаг прерываний IF и помещает в стек адрес возврата в
прерванную программу (регистры CS и IP). После этого процессор извлекает из таблицы
векторов прерываний адрес подпрограммы обработки прерываний для данного устройства и
приступает к ее выполнению.
Процедура обработки аппаратного прерывания должна завершаться командой конца
прерывания EOI (End of Interruption), посылаемой контроллеру прерываний. Для этого
необходимо записать байт 20h в порт 20h (для первого контроллера) и в порт A0h (для
второго).
В IBM PC/XT/AT используется режим прерываний с фиксированными приоритетами.
Высшим приоритетом обладает запрос по линии IRQ 0, низшим  IRQ 7. Так как второй
контроллер подключен к линии IRQ 2 первого контроллера, то приоритеты линий IRQ в
порядке убывания приоритета располагаются следующим образом: IRQ 0, IRQ 1, IRQ 8
IRQ 15, IRQ 3  IRQ 7. Если запрос на обслуживание посылают одновременно два
устройства с разными приоритетами, то контроллер обслуживает запрос с большим
приоритетом, а запрос с меньшим приоритетом блокирует. Блокировка сохраняется до
получения команды EOI.

file_name: Система прерываний.docx

информатика

group: Дисциплины