Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование

Авдеев В. А.

œ≈–»‘≈–»…Õ¤≈ ”—“–Œ…—“¬¿:
ËÌÚÂÙÂÈÒ˚, ÒıÂÏÓÚÂıÌË͇,
ÔÓ„‡ÏÏËÓ‚‡ÌËÂ

Москва, 2009

Рекомендовано УМО вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 230101
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

УДК 681.3.06(07)
ББК
32.973
A18

А18
Авдеев В. А.

Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 848 с.: ил.

ISBN 9785940745051

В книге с энциклопедической полнотой рассматриваются периферийные устройства персонального компьютера; принципы действия и применения разнообразных шин (PCI, SCSI, USB, IEEE 1394, I2C, SATA, SAS,
PCI Express); интерфейсная схемотехника; интерактивные устройства
ввода; способы обмена данными, видеоадаптеры и мониторы; печатающие устройства, сканеры, жесткие диски, дисководы CD и DVD, преобразователи информации, модемы и т. д.
Приведены основные сведения по защите информации от ошибок
(коды Хэмминга, БЧХ и РидаСоломона). Показаны рисунки динамических моделей некоторых периферийных устройств и шин, поясняющие
принципы их работы. Изложены вопросы программирования некоторых
периферийных устройств на регистровом уровне и составлены функциональные графы вариантов программных заданий. Рассмотрены способы
построения пространственных интерфейсов ввода/вывода на базе микросхем коммутационных устройств.
Книга содержит большое количество схем и таблиц, способствующих
лучшему пониманию соответствующей информации. Главы в основном
имеют следующую структуру: основные терминологические определения, описание функциональных, аппаратных и параметрических классификационных признаков, справочное дополнение,  контрольные вопросы
и упражнения, список литературы.
Издание предназначено для студентов вузов и колледжей, изучающих
компьютерную технику, а также для преподавателей и инженернотехнических работников.

УДК 681.3.06(07)
ББК 32.973

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного
разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку
вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может
гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений.
В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

©
Авдеев А. В., 2009
ISBN 9785940745051
©
Оформление, ДМК Пресс, 2009

—Ó‰ÂʇÌËÂ

¬‚‰ÂÌË .........................................................................................10

√·‚‡ 1. ¡‡ÁÓ‚˚È ÍÓÏÔ¸˛ÚÂ. “ÂÏËÌÓÎӄˡ ................12
1.1. Типы шин .......................................................................................12
1.2. Центральная часть компьютера .....................................................17
1.3. Клавишное устройство ввода .........................................................21
1.4. Контроллер прямого доступа к памяти...........................................23
1.5. Контроллер гибкого диска ..............................................................25
1.6. Дисковод гибкого диска ..................................................................27
1.7. Жесткий диск .................................................................................30
1.8. Интерфейсы жесткого диска ..........................................................33
1.9. Системная шина с квитированием ............................................... 41
1.10. Шина расширения ...................................................................... 44
Контрольные вопросы .......................................................................... 48
Литература............................................................................................51

√·‚‡ 2. ÃÌÓ„ÓÛÓ‚Ì‚‡ˇ ÒËÒÚÂχ ¯ËÌ ............................52
2.1. Функциональная классификация шин...........................................52
2.2. Архитектура компьютера ...............................................................69
2.3. Базовая шина PCI .......................................................................... 74
2.4. Интерфейс SCSI..............................................................................86
2.5. Модель шины SCSI .......................................................................102
2.6. Шина USB ....................................................................................107
2.7. Модель шины USB ........................................................................132
2.8. Шина IEEE1394............................................................................145
2.9. Последовательный интерфейс SATA .............................................147
2.10. Последовательный интерфейс SAS.............................................151
2.11. Последовательный интерфейс PCI Express.................................153
Контрольные вопросы .........................................................................160
Литература..........................................................................................164

√·‚‡ 3. »ÌÚÂÙÂÈÒ̇ˇ ÒıÂÏÓÚÂıÌË͇ ...........................166
3.1. Основные определения.................................................................166
3.2. Способы обмена данными ............................................................174

Содержание
4

3.3. Дешифрация адреса .....................................................................182
3.4. Формирование управляющих сигналов .......................................188
3.5. Интерфейсные формирователи ....................................................191
3.6. Адаптер программного обмена .....................................................192
3.7. Интерфейс с мультиплексной шиной ...........................................196
3.8. Адаптер принтера.........................................................................201
3.9. Программа вывода данных на печать ..........................................204
3.10. Варианты заданий .....................................................................208
3.11. Энергонезависимая флэшпамять .............................................209
Контрольные вопросы .........................................................................213
Упражнения ........................................................................................216
Литература..........................................................................................217

√·‚‡ 4. ”ÒÚÓÈÒÚ‚Ó ñ ˆÂθ ¯ËÌ˚ PCI .............................218
4.1. Основные определения.................................................................218
4.2. Задание на проектирование цели.................................................221
4.3. Общий вид схемы цели .................................................................222
4.4. Схема приема адреса и команды ..................................................229
4.5. Цикл конфигурации .....................................................................232
4.6. Экспериментальная часть............................................................238
Контрольные вопросы .........................................................................242
Литература..........................................................................................242

√·‚‡ 5. œˇÏÓÈ ‰ÓÒÚÛÔ Í Ô‡ÏˇÚË .....................................243
5.1. Основные определения.................................................................243
5.2. Общие сведения ...........................................................................244
5.3. Контроллер ПДП ...........................................................................246
5.4. Внешний контроллер с режимом ПДП..........................................256
5.5. Упрощенная схема КПДП .............................................................262
5.6. Программирование КПДП ............................................................268
5.7. Варианты заданий .......................................................................272
Контрольные вопросы .........................................................................272
Литература..........................................................................................273

√·‚‡ 6. œÂËÙÂËÈÌ˚ ËÌÚÂÙÂÈÒ˚
‚‚Ó‰‡/‚˚‚Ó‰‡ ..............................................................................274
6.1. Последовательный интерфейс RS232 .........................................274
6.2. Асинхронная передача данных ....................................................280
6.3. Синхронная передача данных ......................................................282
6.4. Асинхронный передатчик ............................................................282
6.5. Асинхронный приемник ...............................................................284
6.6. Подключение портов УАПП к шине ..............................................286

Содержание

6.7. Морфологический граф заданий ..................................................288
6.8. Микросхема УАПП ........................................................................290
6.9. Модели схем последовательной передачи данных........................293
6.10. Параллельный интерфейс ..........................................................300
6.11. Программируемый периферийный интерфейс ..........................300
6.12. Адаптер последовательнопараллельного интерфейса...............305
6.13. Адаптер ISA/ИРПР ......................................................................306
6.14. Тестирование последовательного порта (УАПП) .........................315
6.15. Пример выполнения варианта задания .....................................321
6.16. Варианты заданий .....................................................................324
6.17. Интерфейс I2C .............................................................................326
6.18. Последовательный интерфейс EIA485 (RS485) ........................335
Контрольные вопросы .........................................................................338
Литература..........................................................................................340

√·‚‡ 7. «‡˘ËÚ‡ ‰‡ÌÌ˚ı ÓÚ Ó¯Ë·ÓÍ ................................342
7.1. Основные определения.................................................................342
7.2. Проверка четности .......................................................................346
7.3. Коды Хэмминга ............................................................................350
7.4. Справочное дополнение ...............................................................357
7.5. Циклический контроль .................................................................364
7.6. Коды БЧХ......................................................................................367
7.7. Коды РидаСоломона ....................................................................383
7.8. Каскадные коды ...........................................................................386
Упражнения ........................................................................................389
Контрольные вопросы .........................................................................390
Литература..........................................................................................393

√·‚‡ 8. œÓÒÚ‡ÌÒÚ‚ÂÌÌ˚ ËÌÚÂÙÂÈÒ˚
‚‚Ó‰‡/‚˚‚Ó‰‡ ..............................................................................394
8.1. Устройства связи вычислительных систем ..................................394
8.2. Назначение пространственных интерфейсов ..............................396
8.3. Структура данных КУ ...................................................................398
8.4. Элементная база пространственных интерфейсов ......................400
8.5. Структурная схема пространственного интерфейса ....................402
8.6. Матричное КУ ..............................................................................404
8.7. Трехкаскадное КУ .........................................................................405
8.8. Конфигурация многопроцессорной системы ...............................407
8.9. Общий принцип функционирования системы .............................410
Контрольные вопросы .........................................................................416
Справочное дополнение ......................................................................416
Литература..........................................................................................417

Содержание
6

√·‚‡ 9. »ÌÚÂ‡ÍÚË‚Ì˚ ÛÒÚÓÈÒÚ‚‡ ‚‚Ó‰‡ .................418
9.1. Основные определения.................................................................418
9.2. Типы клавиш ................................................................................419
9.3. Клавиатура PC/XT ........................................................................420
9.4. Клавиатура PC/AT ........................................................................423
9.5. Манипулятор мышь......................................................................436
9.6. Шаровые манипуляторы ..............................................................437
9.7. Ручки управления.........................................................................438
9.8. Программа «Коды клавиатуры» ....................................................440
9.9. Варианты заданий .......................................................................443
Справочное дополнение ......................................................................446
Контрольные вопросы .........................................................................449
Литература..........................................................................................450

√·‚‡ 10. ¬Ë‰ÂÓ‡‰‡ÔÚÂ˚ Ë ÏÓÌËÚÓ˚ ..........................451
10.1. Основные определения ...............................................................451
10.2. Типы видеоадаптеров .................................................................452
10.3. Типы мониторов .........................................................................454
10.4. Растровые мониторы ..................................................................455
10.5. Адаптер VGA ...............................................................................458
10.6. Текстовый режим .......................................................................460
10.7. Графический режим ...................................................................462
10.8. Видеопроцессоры, графические ускорители ..............................472
10.9. Дисплеи на жидких кристаллах..................................................474
10.10. Демонстрационные модели ......................................................483
10.11. Программа управления курсором .............................................485
10.12. Программа изучения знакогенератора.....................................501
10.13. Программа выполнения текстового режима.............................506
10.14. Программа выполнения графического режима ........................514
10.15. Видеокарты 3D .........................................................................521
Контрольные вопросы .........................................................................527
Литература..........................................................................................529

√·‚‡ 11. œÂ˜‡Ú‡˛˘Ë ÛÒÚÓÈÒÚ‚‡ ..................................530
11.1. Классификация принтеров.........................................................530
11.2. Лазерные принтеры ...................................................................532
11.3. Светодиодные принтеры ............................................................538
11.4. Струйные принтеры ...................................................................545
11.5. Матричные принтеры ................................................................547
11.6. Адаптер принтера .......................................................................552
11.7. Программа вывода данных на печать.........................................555
11.8. Варианты заданий .....................................................................560

Содержание

Контрольные вопросы к теме «Лазерный принтер» .............................560
Литература..........................................................................................562

√·‚‡ 12. ”ÒÚÓÈÒÚ‚‡ ‚‚Ó‰‡ Ë „ËÒÚ‡ˆËË
ËÌÙÓχˆËË .................................................................................563
12.1. Дигитайзеры ..............................................................................563
12.2. Графопостроители ......................................................................565
12.3. Сканер. Основные определения .................................................568
12.4. Структурная схема сканера ........................................................570
12.5. Принцип действия сканера ........................................................577
12.6. Электронный учебник «Сканер»..................................................580
Контрольные вопросы .........................................................................584
Литература..........................................................................................586

√·‚‡ 13. œË̈ËÔ˚ χ„ÌËÚÌÓÈ Á‡ÔËÒË ..........................587
13.1. Магнитные ленты .......................................................................587
13.2. Дисковые накопители.................................................................588
13.3. Магнитные головки ....................................................................592
13.4. Методы кодирования ..................................................................594
13.5. Форматирование дорожки ..........................................................597
13.6. Циклический избыточный контроль ..........................................600
13.7. Адресные метки ..........................................................................602
13.8. Фазовая автоподстройка частоты ..............................................605
Справочное дополнение ......................................................................606
Контрольные вопросы .........................................................................607
Литература..........................................................................................608

√·‚‡ 14. √Ë·ÍËÂ Ë ÊÂÒÚÍË ‰ËÒÍË..................................609
14.1. Типы гибких дисков ....................................................................609
14.2. Организация данных на диске ...................................................610
14.3. Накопитель ГМД .........................................................................611
14.4. Контроллер НГМД.......................................................................612
14.5. Подключение КНГМД к шине .....................................................615
14.6. Конструкция жесткого диска ......................................................616
14.7. Размещение данных на жестком диске.......................................617
14.8. Технические параметры НЖМД .................................................618
14.9. Порты адаптера ЖД ...................................................................619
14.10. Контроллеры жесткого диска ...................................................620
14.11. Программирование гибкого диска ............................................627
14.12. Программирование жесткого диска..........................................643
Контрольные вопросы .........................................................................651
Литература..........................................................................................652

Содержание
8

√·‚‡ 15. ŒÔÚ˘ÂÒÍË ÌÓÒËÚÂÎË ËÌÙÓχˆËË ............653
15.1. Назначение CD ...........................................................................653
15.2. Конструкция и геометрия CD .....................................................653
15.3. Принципы оптического чтения/записи .....................................656
15.4. Функциональные характеристики CD........................................658
15.5. Аппаратурные характеристики ..................................................664
15.6. Обобщенная схема дисковода CD ...............................................666
15.7. Технические характеристики .....................................................669
15.8. Цифровой универсальный диск (DVD) ........................................670
15.9. Функциональные признаки........................................................672
15.10. Параметрическая классификация............................................675
15.11. Аппаратурные признаки ..........................................................676
15.12. Программный интерфейс и руководство пользователя ............678
15.13. Многослойный диск FMD ..........................................................681
Контрольные вопросы .........................................................................683
Литература..........................................................................................686

√·‚‡ 16. ”ÒÚÓÈÒÚ‚‡ ÔÂÓ·‡ÁÓ‚‡Ìˡ
ËÌÙÓχˆËË .................................................................................687
16.1. Основные определения АЦП .......................................................687
16.2. Цифроаналоговые преобразователи ...........................................692
16.3. Аналогоцифровые преобразователи..........................................694
16.4. Устройства связи с объектом......................................................701
16.5. Интерактивная модель АЦП .......................................................707
Контрольные вопросы .........................................................................708
Литература..........................................................................................709

√·‚‡ 17. ÃÓ‰ÂÏÌÓ ÒÓ‰ËÌÂÌË ÍÓÏÔ¸˛ÚÂÓ‚ ........710
17.1. Основные определения ...............................................................710
17.2. Аналоговые модемы ....................................................................715
17.3. Функциональные признаки модемов .........................................719
17.4. Параметрические признаки модемов .........................................725
17.5. Аппаратура аналогового модема ................................................726
17.6. Цифровая связь ISDN .................................................................735
17.7. Методы цифровой модуляции.....................................................737
17.8. Технология *DSL .........................................................................738
Контрольные вопросы .........................................................................739
Литература..........................................................................................741

œËÎÓÊÂÌË 1. ¬‡ˇÌÚ˚ ‚˚ÔÓÎÌÂÌˡ
ÔÓ„‡ÏÏÌ˚ı Á‡‰‡ÌËÈ ............................................................742
Коды клавиатуры ................................................................................742
Вывод данных на печать. Адаптер принтера ......................................751

Содержание

Программирование последовательного порта (УАПП) ........................764
Управление курсором. Контроллер ЭЛТ ..............................................777
Знакогенератор. Режимы дисплея ......................................................790
Текстовый режим дисплея. Управление сдвигами данных .................803
Графический режим дисплея ..............................................................811
Программирование контроллера НЖМД ............................................820
Литература..........................................................................................829

œËÎÓÊÂÌË 2. œÓ‚ÂÓ˜Ì˚ ‚ÓÔÓÒ˚
Í ·‡ÁÓ‚˚Ï ÚÂÏ‡Ï ........................................................................830

œËÎÓÊÂÌË 3. ŒÚ‚ÂÚ˚ ̇ ÍÓÌÚÓθÌ˚ ‚ÓÔÓÒ˚
Ë ¯ÂÌˡ ÛÔ‡ÊÌÂÌËÈ ...........................................................839

œËÎÓÊÂÌË 4. ŒÚ‚ÂÚ˚ ̇ ‚ÓÔÓÒ˚
ÔÓ ÚÂÏ‡Ï ·‡ÁÓ‚Ó„Ó ÍÛÒ‡ .......................................................847

¬‚‰ÂÌËÂ
пыт развития вычислительной техники показывает, что основные функциональные и параметрические характеристики компьютеров определяются входящими в их состав внешними и внутренними периферийными
устройствами и интерфейсами (шинами) различных типов (системными, локальными, периферийными с параллельной и последовательной передачами
данных).
Вместе с совершенствованием центрального процессора большое внимание
уделяется развитию новой периферийной аппаратуры с использованием различных физических принципов (технологий), расширяющих их технические и
эксплуатационные параметры. Причем наивысшие технологические достижения в разработке периферийных устройств меняются каждый год.
Предлагаемая книга, на наш взгляд, способствует развитию инженерного
мышления, соответствующих практических навыков и обеспечивает образовательный интерес к изучению данной темы, так как позволяет получить опыт в
проектировании и программировании периферийных устройств и узнать, как
работают наиболее важные части компьютера.
Данная работа является продолжением и развитием предыдущей книги
«Компьютеры: шины, контроллеры, периферийные устройства» (М.: Радио и
связь, 2001. 480 с.).
В книге была предпринята попытка изложить сложный и разноплановый материал в едином систематизированном подходе: основные определения, функциональные, параметрические, аппаратурные классификационные признаки периферийных устройств (интерфейсов) и принципы их действия.
Задача состояла в том, что надо было найти наиболее важные классификационные признаки, присущие всем устройствам (найти общее в несхожем), и признаки, которые одно устройство отличают от другого. Известны три метода
классификации устройств: иерархический (патентная международная система классификации, имеющая несколько редакций), морфологический (классификация на уровне блоков и их связей) и параметрический (емкость, быстродействие, потребляемая мощность и т. д.). Но наиболее важной является
предлагаемая функциональная классификация, описывающая способ функционирования устройств (шин). Морфологический метод требует просмотра
большого числа технических решений, связанных с перестановкой блоков и их
связей (мелкой детализацией). Функциональный метод базируется на наиболее
важных основных признаках способов функционирования устройств.
Одному способу функционирования может быть поставлено в соответствие
множество аппаратных решений. Функциональный метод не страдает излишней детализацией и является одним из методов создания новых устройств (поисковой системой новых патентных решений). Конкурентная борьба фирм
связана с нахождением новых патентованных технических решений (пусть
даже небольших).
В настоящее время наблюдается тенденция к переходу от одной параллельной шины общего назначения с большим числом линий связи (параллельнопоследовательный функциональный признак передачи данных) к нескольким
двухпроводным каналам связи (последовательнопараллельный функциональ11
Введение

ный признак передачи данных). Например, последовательная шина PCI Express
имеет 1, 4, 8, 16, 32канальные варианты, а шина Hyper Transport позволяет
выбирать двунаправленные каналы с различным числом линий связи (2, 4, 8
и т. д.) для передачи данных. Указанные выше функциональные признаки показывают, как передаются байты и биты по проводам связи.
Представлены некоторые рисунки динамических моделей работы схем и
шин, иллюстрирующие принципы их работы. Другой особенностью книги является совместное изложение схемотехники периферийных устройств и программирования принципа их функционирования на языке ассемблера. Для принтера, контроллера прямого доступа к памяти, универсального асинхронного
приемопередатчика приведены примеры и представлены функциональные графы, задающие варианты заданий с целью программирования их работы на регистровом уровне. Предусмотрены творческие варианты, в которых необходимо
показать экранные интерфейсы, демонстрирующие работу программ с использованием адресуемых регистров. В конце книги показаны некоторые образцы
таких работ.
В заключение отметим инновационные элементы, которые содержит книга:

•
в комплексном подходе изложены принципы построения периферийных
устройств и принципы их программирования на регистровом уровне;
•
составлен функциональный граф классификации всех интерфейсов, способствующий развитию инженерного мышления и поиску новых патентных решений;
•
представлены 100 вопросов четырех типов к базовым темам с ответами
в конце книги;
•
показаны иллюстрации интерактивных динамических моделей некоторых
устройств (интерфейсов) и процессов;
•
разработаны пространственные интерфейсы на базе коммутационных
устройств, ускоряющие обмен данными между устройствами;
•
приведены основные сведения по защите информации от ошибок (коды
Хэмминга, БЧХ, Рида–Соломона) со значительным числом решаемых упражнений;
•
представлены образцы студенческих творческих лабораторных работ и т. д.

Хочется выразить признательность следующим коллегам: Михееву А., Скороходу Д., Черемушкину Д., – принявшим участие в создании динамических моделей некоторых устройств и процессов.
Автор также признателен ректору ЮФУ, профессору Захаревичу Владиславу
Георгиевичу за большую помощь в издании этой книги.

1.1. “ËÔ˚ ¯ËÌ
ина – группа электрических линий связи, объединенных определенным
функциональным назначением, служащая для передачи сигналов
устройств компьютеров с целью организации их совместной работы.
В первых компьютерах применялись три основных типа шин: системные шины, локальные и периферийные. Пример использования шин в базовом компьютере представлен на рис. 1.1.
Для данного примера системная шина – это общая шина, с помощью которой устройства компьютера (центральный процессор, оперативная память,
контроллеры, адаптеры и т. д.) гибко и эффективно соединены для передачи и
приема информации.
Системная шина содержит слоты расширения (разъемы), необходимые для
подключения плат контроллеров и адаптеров периферийных устройств.
В связи с этим системная шина называется еще открытой шиной, или шиной расширения, разработанной с учетом того, что пользователи, кроме стандартной периферийной аппаратуры, будут подключать свои разработанные устройства.
Работа компьютера с использованием системной шины организуется таким
образом, что в какойто момент времени одно устройство является активным
(мастером, инициатором, задатчиком), а другое – пассивным устройством
(исполнителем, целью).
Активными устройствами могут быть процессоры, контроллеры прямого
доступа и периферийные устройства, работающие в режиме мастера (инициатора).
Активное устройство с помощью схемы арбитража, например размещенной
в центральном процессоре, захватывает системную шину и выполняет передачу (прием) данных в требуемый исполнитель (из исполнителя).
Таким образом, системная шина – это сложная шина, которая содержит цепи для передачи адреса данных и сигналов управления, необходимых для реализации различных шинных операций: арбитража, прерывания, прямого доступа, пересылок данных, контроля, синхронизации и т. д.

¡‡ÁÓ‚˚È ÍÓÏÔ¸˛ÚÂ.
“ÂÏËÌÓÎӄˡ

К системным шинам относятся следующие шины: ISA, EISA, Multibus, MCA,
PCI и др. Большинство системных шин стандартизировано.
Стандарт – международное, национальное соглашение на производство различных компьютерных устройств, определяющее аппаратную, программную и
конструктивную совместимость.
Например, системная шина ISA (Industry Standard Architecture, Промышленная стандартная архитектура) устанавливает определенные требования к подключению периферийных устройств. Устройства сопряжения (адаптеры или
контроллеры) различных периферийных устройств содержат стандартную
часть связи с шиной ISA, a другую нестандартную часть составляют адресуемые
регистры, с помощью которых выполняется обмен информацией между центральным процессором и периферийным устройством.
Стандарт системной шины определяет: размеры и форму слота расширения,
назначение сигналов контактов слота, временную диаграмму циклов шины при
выполнении различных операций, электрические характеристики сигналов,
требования к внешней печатной плате и т. д.
Периферийное устройство – устройство ввода/вывода, подключенное через
адаптер или контроллер к процессору (оперативной памяти) с помощью системной шины. Различают внешние и внутренние периферийные устройства. Внеш
ние периферийные устройства размещены вне корпуса компьютера и подключаются к нему с помощью внешних разъемов, расположенных на его корпусе.

Рис. 1.1. Схема базового компьютера

АЛУ – арифметикологическое устройство; РП – регистровая память; УУ – устройство управления; КВР –
клавиатура; ПРН – принтер; ГД – гибкий диск; ПДП – прямой доступ к памяти; EIDE – периферийная шина

Типы шин

Базовый компьютер. Терминология
14

Внутренние периферийные устройства конструктивно или выполняются в виде печатных плат, вставляемых в слоты расширения, или являются встроенными в системную (материнскую, планерную) плату компьютера.
Термин «системная плата» был введен фирмой IBM и определяет многослойную печатную плату, на которой установлены: центральный процессор, оперативная память, слоты расширения, постоянная память, контроллеры и другие
компоненты компьютера. Внешние периферийные устройства (принтер, сканер,
модем и т. д.) подключаются к компьютеру с помощью различных внешних
периферийных шин (RS232/485, Centronics, USB...), которые могут быть последовательными или параллельными. В последовательных периферийных
шинах данные передаются последовательно бит за битом, а в параллельных переписывается целая группа битов за один такт.
Параллельные и последовательные периферийные шины также стандартизированы. Например, последовательная периферийная шина RS232С определена стандартом Ассоциации электрической промышленности и предназначена
для сопряжения аппаратуры передачи данных (модемов) и оконечного (терминального) оборудования данных (компьютера). Аббревиатура RS – Recommended Standard (рекомендуемый стандарт), число 232 – номер, буква «С» –
серия данного стандарта. Американский стандарт RS232С поддерживают (согласуются с ним) японские стандарты JIS и С6361 и отечественный стандарт
«Стык С2».
Стандарт RS232 соответствует стандарту V.24 и V.28 ITU – TSS (International
Telecommunications Union – Technical Standards Sector, Международный телекоммуникационный Союз – Сектор технических стандартов). Рекомендации,
относящиеся к модемам, имеют обозначения «V».
Кроме того, разработаны стандарты RS422 и RS423, позволяющие увеличить длину линий связи и скорость передачи данных. В коммуникационных
контроллерах фирмы Motorola используется стандарт RS422 для обслуживания последовательных каналов связи.
Параллельная внешняя однонаправленная периферийная шина Centronics
(промышленный стандарт Centronics) является простой шиной типа «точкаточка» для подключения принтера к компьютеру. В этой шине передача данных
направляется только в одну сторону от процессора к принтеру. В дальнейшем
эта шина совершенствовалась и могла передавать данные в обе стороны.
Стандарт IEEE 1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers, Институт
инженеров по электронике и радиоэлектронике) определяет все режимы работы
этой параллельной двунаправленной периферийной шины, позволяющие подключать различные устройства ввода/вывода (принтеры, жесткие диски и т. д.).
В Российских государственных стандартах (ГOCTax), относящихся к области
компьютерной техники, изложены общие вопросы терминологии, классификации и норм проектирования технических средств.
В силу различных конструктивных решений тактовая частота центрального
процессора (процессорного ядра) значительно превосходит тактовую частоту
системной шины материнской платы.
Например, старый процессор i80486 имел частоты своей работы 50 или 60 МГц,
а частоты функционирования системных шин того времени ISA, EISA и MCA соответственно равны 8 МГц, 8,33 МГц и 10 МГц.
Процессор Pentium IVA использует тактовые частоты: 1,6; 1,8; 2 ГГц и поддерживает частоту главной шины (Host Bus) 400 МГц.

Увеличение частоты работы кремния чипа приводит к разогреву процессора,
поэтому принимают специальные меры к снижению его температуры: уменьшают напряжение питания с 5 В до 1,5 В, устанавливают миниатюрный вентилятор и термодатчик предельной величины температуры.
Таким образом, достижение положительного эффекта (повышение быстродействия) связано с дополнительными аппаратными затратами (усложнением
оборудования) и как следствие – с повышением стоимости изделия.
Большая разница в частотах работы процессора и системной шины привела
разработчиков к мысли применения локальной шины, скорость функционирования которой выше скорости системной шины и приближается к скорости
процессора. Первые локальные шины использовались для памяти, а потом их
стали применять и для подключения видеоадаптеров (видеокарт), в которых
для создания реалистичного изображения требовалось обрабатывать большие массивы данных с высокой скоростью. Видеоадаптер – устройство, преобразующее данные центрального процессора в текстовую и графическую
информацию, выводимую на экран монитора. В технической литературе понятия «адаптер» и «контроллер» иногда считают синонимами, то есть полагают, что между ними нет четких различий. Однако адаптер – устройство
сопряжения между процессором и периферийным устройством, которое связано с преобразованием информации (например, в видеоадаптере) и согласованием передаваемой информации, как в случае использования адаптера
принтера. Контроллер – сложное устройство, обычно построенное на базе
микропроцессора, управляющее работой подключенных к нему периферийных устройств. К основным функциям контроллера относятся: координация
действий во времени, формирование потока данных, управление передачей
данных и т. д.
Существует большое многообразие контроллеров, определяемое областью их
применения: коммуникационные контроллеры, контроллеры управления технологическим оборудованием, контроллеры гибких и жестких дисков и др.
Карта – печатная плата с микросхемами, вставляемая в слот компьютера и
предназначенная для обслуживания определенного устройства. Иногда употребляют термин «видеокарта».
Адаптеры или контролеры могут размещаться на плате расширения или могут быть встроены в системную плату.
Возникает вопрос: каким образом центральный процессор выбирает направление передачи информации по локальной шине или по системной шине? Существуют два основных способа распределения данных по различным устройствам (рис. 1.2) с использованием различных адресных пространств.
В первом случае в системе команд процессора можно использовать одну
команду пересылки данных. Процессор анализирует адрес, применяемый
в команде, и определяет, куда направлены данные: по системной или по локальной шине.
Во втором случае каждой шине выделяются свои адресные пространства, поэтому требуются две разные команды передачи данных.
Локальная шина существенно «разгружает» системную шину, которая является наиболее «узким местом» в компьютере, при этом общее его быстродействие
повышается.
Аналогичным образом для повышения быстродействия компьютера к относительно медленной оперативной памяти стали добавлять внутренний и внешТипы шин

Базовый компьютер. Терминология
16

ний кэш (быстродействующую локальную память, ускоряющую выполнение
команд программы). В кэше сохраняются наиболее часто употребляемые данные и их адреса. Если процессор обнаруживает требуемый адрес, то он обращается к кэшу, в противном случае – к оперативной памяти.
Внутренний кэш входит в состав процессора, а внешний – подключается, например, к локальной шине.
Таким образом, в компьютере используется многоуровневый принцип использования шин и памяти, способ своеобразной «развязки» потоков движения и хранения информации. Похожая картина наблюдается с организацией
потоков движения транспорта и их стоянок.
Различные фирмы изготавливают разнообразные видеоадаптеры. Для обеспечения их совместимости VESA (Video Electronic Standards Association, Ассоциация производителей видеоэлектронного оборудования) представила стандарт 32битной локальной шины VLB (Video Local Bus, локальная шина видео)
с тактовой частотой 33 МГц (40 МГц). Шина VLB содержит три слота расширения, скорость передачи 32битных данных – 133 Мбайт/с (140 Мбайт/с) и предназначена для подключения видеоадаптеров, контроллеров жесткого диска, сетевых адаптеров и других быстродействующих устройств.
В свою очередь, фирмой Intel был предложен стандарт на локальную шину
PCI (Peripheral Component Interconnect, взаимодействие периферийных компонентов) с исходной частотой 32 МГц и передачей 32или 64битных данных соответственно со скоростью 132 Мбайт/с или 264 Мбайт/с.
Кроме того, фирмой Intel разработана другая, более быстрая 32битная локальная шина AGP (Accelerated Graphics Processing, Ускоренная графическая
обработка), предназначенная для обработки трехмерных изображений, которая имеет тактовую частоту 66,6 МГц.
К основным характеристикам шин можно отнести: число передаваемых бит
данных и адреса (разрядность), быстродействие и совместимость, например
плата расширения шины ISA совместима с шиной EISA. Компьютерная аппаратура развивается так, что разработчики стараются сохранить предыдущие техРис. 1.2. Распределение адресного пространства:
а) разделение общего адресного пространства;
б) отдельные (автономные) адресные пространства

а
б

нические решения, то есть к старым функциям добавлять новые. Приведем несколько примеров использования совместимости устройств. Платы шины PCI
совместимы с шиной AGP.
Развитие видеоадаптеров происходило с сохранением функций всех предыдущих видеоадаптеров.
Совершенствование структуры оперативной памяти по мере увеличения
объема происходит с сохранением распределения информации в ее начальной
области с целью обеспечения совместимости.
В клавиатуре AT сохранили режим работы старой клавиатуры XT.
Появление новой шины USB привело к необходимости разработки преобразователей USB/RS232 и USB/параллельная шина, чтобы пользователи,
использующие аппаратуру с последовательными (RS232) и параллельными периферийными шинами, могли подключать свои устройства к компьютеру с помощью разъема USB.
Микросхемы последовательных асинхронных адаптеров (универсальных
асинхронных приемопередатчиков) 8250, 16450, 16550 совместимы на аппаратном (регистровом) уровне.

1.2. ÷ÂÌÚ‡Î¸Ì‡ˇ ˜‡ÒÚ¸ ÍÓÏÔ¸˛ÚÂ‡

Процессор – основное арифметикологическое (вычислительное и управляющее)
устройство с внешней памятью, выполняющее программы, связанные с обработкой данных и управлением работой всех устройств компьютера. К основным характеристикам процессора относятся: разрядность, тактовая частота, тип корпуса (картриджа), технология изготовления ядра.
Например, 32разрядный процессор Pentium IV обрабатывает данные с частотой 1,5 ГГц, использует сокет 432 (плоский штырьковой разъем) и изготавливается по 0,18микронной технологии (минимально возможным размером переключательного элемента). В 1999 г. фирмой Intel был разработан 64разрядный
процессор с технологией изготовления ядра 0,18 мкм, тактовой частотой системной шины 266 МГц, трехуровневой организацией встроенного кэша и возможностью сопряжения 512 процессоров.
Оперативная память – устройство ввода/вывода и кратковременного хранения программ и данных, над которыми непосредственно выполняются операции процессора. Оперативная память является энергозависимой (при выключении питания информация теряется).
Важными характеристиками памяти являются тип (динамическая, страничная, синхронная, асинхронная), быстродействие (частота обращения к памяти
при записи или считывании данных), информационная емкость (количество
ячеек памяти, каждая из которых имеет определенное число разрядов).
Оперативная память состоит из модулей, представляющих собой печатные
платы, на которых размещаются микросхемы памяти. Любой модуль устанавливается в специальный слот на системной плате.
Одновременно с появлением каждый раз новых чипов процессоров происходило увеличение объема оперативной памяти и наращивание информации,
хранимой в ней, причем для сохранения совместимости с прежними процессорами использовалась и старая информация оперативной памяти. Поэтому
в оперативной памяти можно выделить три области (сформировавшиеся

Центральная часть компьютера

Базовый компьютер. Терминология
18

в процессе развития компьютерной техники): начальная, верхняя и расширенная память.
Упрощенная иллюстрация размещения информации и разделения адресного
пространства процессора между оперативной памятью, памятью контроллера
(адаптеров) и постоянной памятью показана на рис. 1.3.

Первые 640 Кбайт оперативной памяти использовались программами дисковой операционной системы (DOS). Диапазон памяти от 640 Кбайт до 1024 Кбайт
(верхняя память) зарезервирован для обслуживания различных устройств компьютера (аппаратурный уровень), а диапазон от 1024 Кбайт и выше (расширенная память) – для хранения программ операционной системы Windows, OS/2
или Unix. Пространство памяти от 0 Кбайт до 1024 Кбайт стало стандартным
с целью обеспечения полной совместимости различных процессоров. Кратко
поясним назначение участков памяти.
Векторы прерывания – стартовые адреса программ обработчиков прерываний.
BIOS (Basic Input/Output System) – базовая система ввода/вывода, являющаяся частью операционной системы, управляющая работой устройств компьютера и взаимодействующая с прикладными программами.
Прикладные программы (приложения) – программы, предназначенные
для работы под управлением операционной системы.
BIOS хранится в постоянной памяти, содержит набор процедур (пакет служебных программ) и выполняет следующие функции: загрузку операционной

Рис. 1.3. Схема разделения адресного пространства памяти

Расширенная
память

1024К

Верхняя
память

640К

Начальная
память

ОК

Windows,
OS/2
или
Unix

Зарезервированная область:
BIOS системной платы

BIOS и буферы плат расширения

Видеопамять

ROMBIOS

Программы пользователя

Резидентные программы

Драйверы устройств

Данные BIOS

Векторы прерывания

Аппаратные средства

Постоянная память
системной платы

Контроллеры и адаптеры

Видеоадаптеры