Периферийные устройства

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Иркутский государственный технический университет

Курсовая работа

по Организации ЭВМ

Введение

Как известно современный компьютер - сложная система, включающая процессор (или процессоры в многопроцессорных системах), предназначенный для выполнения программ и основную (оперативную) память, которая хранит эти программы и результаты, полученные при выполнении программ. К этой части вычислительной системы предъявляются особенно высокие требования по скорости обмена данными. Процессоры работают все на более высокой частоте, память отстает по быстродействию. Изучая организацию памяти вычислительных систем, мы познакомились с методами, которые позволяют увеличить скорость чтения и записи данных. Особенно важно, чтобы необходимые скоростные характеристики обеспечивала система шин вычислительной системы. Мы рассмотрели различные архитектуры процессоров и обратили внимание на то, что контроллер, управляющий работой памяти может быть включен в системный контроллер компьютера, на который перекладывается часть функций процессора по управлению устройствами, образующими компьютер ( как в системах на Pentium4), или контроллер может быть включен в схему процессора (как в системах на процессорах AMD-64). Но это еще не все трудности, которые необходимо преодолеть для того, чтобы сделать компьютер быстрым. Важно обеспечить вывод информации на монитор. Эти задачи возлагаются на видеоподсистему компьютера. Для нормального восприятия изображения человеком необходимо обновлять информации с достаточно высокой скоростью. От видеосистемы требуется отображать в окне потоковое видео, графику высокого разрешения. Все это требует высокой скорости обмена видеосистемы и памяти. Поэтому обычно для подключения видеосистемы выделяется специальная шина. Системный контроллер на сегодняшний день делится на две части. Первая (микросхема, которую называют обычно "северный мост") предназначена для управлением процессом обмена между процессором и оперативной памятью, оперативной памятью и видеосистемой и вторая (микросхему называют "южный мост") - предназначена для обмена с памятью внешних устройств. Специальная шина связывает эти микросхемы между собой, работой памяти управляет контроллер памяти, обычно входящий в северный мост. К южному мосту подсоединяются более медленные устройства, такие, как жесткий диск, он необходим для хранения программ и данных. Как организуется связь жесткого диска с оперативной памятью (организация виртуальной памяти) мы рассматривали ранее, для подключения жесткого диска требуется своя локальная шина, в настоящее время осуществляется переход на последовательные шины в архитектуре компьютера, для подключения жесткого диска применяется SATA (Serial AT Attachment for Disk Drives). Хотя и уходит в прошлое такой вид памяти, как гибкий диск, какое-то время будет сохраняться контроллер гибкого диска и интерфейс для связи с ним. Это медленное устройство ввода/вывода информации, поэтому не стоит вопрос о скоростной шине для обмена с ним. К южному мосту подключается клавиатура. Информацию вводит человек, имеющий очень большую инерцию по сравнению с вычислительной системой и высоких требований к этой шине не предъявляется. В связи со стремлением к стандартизации системы подключения внешних устройств клавиатура и мышь подключаются при помощи USB шины (Universal Serial Bus). Эта шина ( или более скоростная последовательная шина) используется для подключения и других внешних (периферийных) устройств, принтеров, сканеров и т.д. Чтобы иметь представление о работе этих устройств познакомимся коротко с их организацией.

1. Порты ввода вывода

В персональном компьютере любое подключаемое устройство, за исключением оперативной памяти, является периферийным Для подключения периферийных устройств используются порты ввода/вывода. Конструктивно порты ввода/вывода представляют собой регистры контроллера внешнего устройства, которые непосредственно подключены к шине ввода/вывода компьютера. Для управления обменом данными между аппаратными компонентами компьютера каждому порту ввода/вывода присваивается свой уникальный шестнадцатеричный номер (адрес порта), например 2F8h, 370h. В IBM-совместимых персональных компьютерах можно адресовать 216 портов ввода/вывода (хотя большинство из них, как правило, не используется). Диапазон адресов, отведенный для адресации внешних устройств и памяти образует общее адресное пространство. Стандартно порты устройств ввода/вывода для IBM PC-совместимых компьютеров занимают диапазон адресов от О-3FFH включительно, хотя реально можно использовать адреса вплоть до FFFFh, например, порты процессора волнового синтеза ( WT) звуковой карты имеют адреса в диапазоне 620h-E23h. В адресное пространство входят порты контроллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров, звуковых карт, последовательных и параллельных интерфейсов, игровых портов и любого другого периферийного оборудования.

Напомним, что одно периферийное устройство может использовать несколько портов ввода/вывода. Иногда их количество может достигать нескольких десятков. Например, контроллер параллельного интерфейса имеет три регистра: регистр вывода данных, регистр состояния и регистр управления, адресуемые через свои порты ввода/вывода, а контроллер последовательного интерфейса - десять регистров, адресуемых через семь портов ввода вывода.

Естественно, адресация портов осуществляется центральным процессором при выполнении соответствующей программы. Для того чтобы исключить необходимость указания конкретного адреса каждого порта ввода/вывода при программировании, а также для оперативного их изменения в зависимости от конкретной конфигурации компьютера, существует понятие базовый адрес порта ввода/вывода (Base Address Input/Output).

Базовый адрес порта ввода/вывода присваивается каждому периферийному устройству и соответствует младшему адресу из группы портов (обычно адресу порта регистра данных). Адресация остальных портов периферийного устройства осуществляется путем задания смещения (целое число) относительно базового адреса. BIOS резервирует ряд диапазонов адресов портов ввода/вывода стандартных аппаратных компонентов персонального компьютера, которые не могут быть использованы другими периферийными устройствами.

2. Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, манипуляторы

Клавиатура

Клавиатура пока является основным устройством ввода информации в компьютер. Это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Подключение клавиатуры к системной плате осуществляется посредством либо 5-контактных разъемов DIN, применяющихся в материнских платах формата AT, либо 6-контактных разъемов miniDIN (их иногда называют разъемами типа PS/2), которые применяются преимущественно в материнских платах формата ATX (форм-фактор плат), более современные клавиатуры подключаются к разъему USB.

В подавляющем большинстве современных ПК используется так называемая улучшенная (Enhanced) клавиатура (это название было введено, чтобы отличить ее от клавиатуры, применявшейся на IBM XT). Она содержит 101 или 104 клавиши.

Принцип действия

Клавиатура является одним из важнейших устройств, определяющим условия комфортабельной работы на компьютере. В нее встроен контроллер. Независимо от того, как механически реализован процесс нажатия клавиш, сигнал при нажатии клавиши регистрируется контроллером клавиатуры (например, 8049) и передается в виде так называемого скэн-кода на материнскую плату. Скэн-код -- это однобайтное число, младшие 7 бит которого представляют идентификационный номер, присвоенный каждой клавише . На материнской плате персонального компьютера для подключения клавиатуры также используется специальный контроллер. Для персональных компьютеров типа AT обычно применяется микросхема типа UPI 8042.

Когда скэн-код поступает в контроллер клавиатуры (8042), то инициализируется аппаратное прерывание (IRQ1), процессор прекращает свою работу и выполняет процедуру, анализирующую скэн-код. Данное прерывание обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш сдвига (<Alt>,<Ctrl>) или переключателя (<Shift>, <CapsLock>) изменение статуса записывается в оперативнуюпамять. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в код символа (так называемые коды ASCII или расширенные коды). При этом обрабатывающая процедура сначала определяет установку клавиш и переключателей, чтобы правильно получить вводимый код ("а" или "А"). Затем введенный код помещается в буфер клавиатуры, представляющий собой область памяти, способную запомнить до 15 вводимых символов, пока прикладная программа не может их обработать. Буфер организован по принципу FIFO (первый вошел -- первый вышел).

Каждая клавиша генерирует два типа скэн-кода "код нажатия", когда клавиша нажимается, и "код освобождения", когда клавиша опускается. Для "кодов нажатия" и "кодов освобождения" используется одна и та же цепочка битов, коды освобождения состоят из двух байтов, первый из которых всегда равен 0F0H.

Контролер на материнской плате может не только принимать, но и передавать данные, чтобы сообщить клавиатуре различные параметры, например частоту повтора нажатой клавиши и др.

Контроллер 8049 отвечает не только да генерирование скэн-кодов, но он необходим для выполнения функций самоконтроля и проверки нажатых клавиш в процессе загрузки системы. Процесс самоконтроля отображается однократным миганием трех индикаторов LED клавиатуры во время выполнения программы POST. Таким образом, неисправность клавиатуры выявляется уже на стадии загрузки персонального компьютера.

Мышь

Большинство фирм, производящих подобные устройства, обеспечивают совместимость по системе команд либо с Microsoft Mouse (две управляющие клавиши), либо с Mouse Systems Mouse (три управляющие клавиши), а чаще всего с ними обеими. Мышь делает очень удобным процесс управления такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, кнопки, пиктограммы и т. д.

Подавляющее число компьютерных мышек используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собой оптопары (светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов - скорость. Хороший механический контакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик.

Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая мышь. Для нее используется специальный коврик, на поверхности которого нанесена мельчайшая сетка из перпендикулярных друг другу темных и светлых полос. Расположенные в нижней части мыши две оптопары освещают коврик и по числу пересеченных при движении линий определяют величину и скорость перемещения. Оптические мыши не имеют движущихся частей и лишены такого присущего оптико-механическим мышам недостатка, как перемещение курсора мыши рывками из-за загрязнения шарика. Разрешающая способность применяемого в мыши устройства считывания координат составляет 400 dpi (Dot per Inch) точек на дюйм и выше, превосходя аналогичные значения для механических устройств.

При помощи мыши удобно выделять объекты, перемещать их, рисовать. Устройством ввода мыши являются клавиши, их обычно две или три. Электронная схема управления мыши следит за ее перемещением, эти данные поступают в компьютер, обрабатываются процессором, который производит перемещение указателя мыши на экране дисплея. При перемещении мыши по коврику тяжелый, покрытый резиной шарик приводится в движение и вращает соприкасающиеся с ним валики вертикального и горизонтального перемещения. На этих валиках закреплены диски с прорезями. С разных сторон от диска установлены излучатель света (светодиод) и приемник света (фототранзистор). При движении мыши приемник принимает световые импульсы и преобразует их в электрические сигналы. По количеству импульсов определяются координаты мыши при ее движении по вертикали и горизонтали.

Существуют беспроводные мышки, которые осуществляют передачу данных в радио или инфракрасном диапазоне с расстояния 2 - 3 метра

Трекбол

Трекбол (Trackball) представляет собой «перевернутую» мышь, так как у него приводится в движение не корпус устройства, а только его шар увеличенного по сравнению с мышью размера, что позволяет существенно повысить точность управления курсором. Первое устройство подобного типа было разработано компанией Logitech. Миниатюрные трекболы получили сначала широкое распространение в портативных ПК. Встроенные трекболы могут располагаться в самых различных местах корпуса ноутбука, внешние крепятся специальным зажимом, а к интерфейсу подключаются кабелем. Большого распространения в ноутбуках трекболы не получили из-за своего недостатка - постепенного загрязнения поверхности шара и направляющих роликов, которые бывает трудно очистить и, следовательно, вернуть трекболу былую точность. Впоследствии их заменили тачпады и трекпойнты.

Страницы: 1, 2, 3