ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.01.2021
Просмотров: 161
Скачиваний: 1
Лекция 5
2.7. Процесс ввода/вывода
Обычный компьютер состоит из трех основных компонентов: центрального процессора, памяти (основной и вспомогательной) и устройств ввода-вывода (принтеров, сканеров, модемов, …). В этом разделе мы займемся изучением устройств ввода-вывода и тем, как они связываются с остальными компонентами системы.
Большинство персональных компьютеров и рабочих станций представляют собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая называется материнской платой. Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные микросхемы поддержки. Она также содержит протянутую вдоль нее шину и несколько разъемов для подсоединения плат устройств ввода-вывода. Иногда может быть две шины: одна с высокой скоростью передачи данных (для современных плат устройств ввода-вывода), другая - с низкой скоростью передачи данных (для старых плат устройств ввода-вывода).
Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна содержит большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно содержится на плате, которая устанавливается в свободный разъем. Исключение представляют контроллеры, являющиеся обязательными (например, клавиатура), которые часто располагаются на материнской плате (интегрированы). Хотя монитор является обязательным устройством, соответствующий ему контроллер часто располагается на отдельной плате (видеоплате), чтобы пользователь сам мог по желанию выбирать платы с различными возможностями: графическими ускорителями или без них, устанавливать дополнительную видеопамять и т. д. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который подсоединяется к разъему на задней стороне корпуса.
Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и регулирует его доступ к шине. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, сокращенно DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерывания и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходимые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершена, процессор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания.
Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. Если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно, то срабатывает особая микросхема, которая называется арбитром шины. Она и решает, кому отдать приоритет. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода. Нельзя прерывать работу дисков и других движущихся устройств, так как это может привести к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для связи с памятью. Если какое-нибудь устройство ввода-вывода находится в действии, оно получает доступ к шине каждый раз, когда ему это необходимо. Такой процесс называется занятием цикла памяти и замедляет работу компьютера.
За время существования компьютеров разработано несколько стандартов шин. Одна из старых шин PC называется шиной ISA (Industry Standard Architecture - стандартная промышленная архитектура). Когда скорость ее работы перестала устраивать разработчиков внешних устройств, появилась EISA (Extended ISA), совместимая со старыми версиями. В настоящее время популярным стандартом шин является PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Он был разработан компанией Intel, которая предоставила все патенты на него другим производителям. Как говорилось выше, существуют также шины SCSI, обслуживающие еще более быстрые устройства. Шина USB (Universal Serial Bus) все чаще применяется для связи с периферийными устройствами малого и среднего быстродействия.
Далее рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды устройств ввода-вывода.
2.7.1. Терминалы
Терминал компьютера состоит из двух частей: клавиатуры и монитора (видеотерминала). В больших компьютерах эти части соединены в одно устройство и связаны с самим компьютером обычным или телефонным проводом. В персональных компьютерах клавиатура и монитор - независимые устройства. В обоих случаях технологии этих двух частей аналогичны.
2.7.2. Клавиатуры
Устройство современной клавиатуры таково, что при нажатии клавиши происходит замыкание электрического контакта с печатной платой. У некоторых клавиатур под каждой клавишей находится магнит, который при нажатии клавиши проходит через катушку и таким образом вызывает электрический ток. Используются и другие методы, использующие как механику, так и электромагнитные поля.
На программном уровне в персональных компьютерах при нажатии клавиши происходит прерывание - запускается специальная программа, которая является частью операционной системы. Программа обработки прерывания считывает регистр аппаратного обеспечения в контроллер клавиатуры, чтобы получить номер нажатой клавиши (от 1 до 102). Когда клавишу отпускают, происходит второе прерывание.
2.7.3. Мониторы
2.7.3.1. Мониторы с электронно-лучевой трубкой
Монитор представляет собой коробку, содержащую электронно-лучевую трубку и ее источники питания. Электронно-лучевая трубка имеет электронную пушку, способную выстреливать пучок электронов на фосфоресцентный экран в передней части трубки. Цветные мониторы содержат три пушки: по одной для красного, зеленого и синего цветов. При горизонтальной развертке пучок электронов (луч) развертывается по экрану примерно за 50 мкс, образуя почти горизонтальную полосу на экране. Затем луч совершает горизонтальный обратный ход к левому краю, чтобы начать следующую развертку. Устройство, которое таким образом создает изображение, называется устройством растровой развертки.
Горизонтальная развертка контролируется линейно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины горизонтального отклонения, расположенные слева и справа от электронной пушки. Вертикальная развертка контролируется более медленно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины вертикального отклонения, расположенные под и над электронной пушкой. После определенного количества разверток напряжение на пластинах вертикального и горизонтального отклонения спадает, и луч возвращается в верхний левый угол экрана. Полное изображение экрана обновляется таким образом от 30 до 150 раз в секунду. В более дорогих моделях для развертки луча по экрану используются магнитные поля вместо электрических.
Для получения на экране точечного изображения внутри электронно-лучевой трубки находится сетка. Когда на сетку воздействует положительное напряжение, электроны возбуждаются, луч направляется на экран, который через некоторое время начинает светиться. Когда подается отрицательное напряжение, электроны отталкиваются и не проходят через сетку, и экран не зажигается. Таким образом напряжение, воздействующее на сетку, вызывает появление соответствующего набора битов на экране. Описанный механизм позволяет переводить двоичный электрический сигнал на дисплей, состоящий из ярких и темных точек.
2.7.3.2. Жидкокристаллические мониторы
Электронно-лучевые трубки слишком громоздки и поэтому непригодны для портативных компьютеров. К их недостаткам относится также наличие сильных электромагнитных полей, отрицательно влияющих на здоровье. Поэтому для мониторов разработана другая технология - жидкокристаллические дисплеи. Эта технология сложна, имеет несколько вариантов реализации и быстро развивается, поэтому мы не будем подробно говорить о ней.
Жидкие кристаллы представляют собой вязкие органические молекулы, которые двигаются как молекулы жидкостей, но при этом имеют структуру аналогичную молекулам кристаллов. Они впервые стали применяться при изготовлении различных дисплеев (для калькуляторов, часов и т. п.) в 1960 году. Оптические свойства жидкого кристалла зависят от направления и поляризации воздействующего на него света и могут контролироваться с помощью электричества. Эти возможности наряду с оптическими фильтрами (в цветных мониторах) и используются для формирования точечных изображений. Одно из преимуществ качественных жидкокристаллических мониторов состоит в том, что обновление изображения происходит лишь при его изменении, а не постоянно, что снижает нагрузку на зрение.
2.7.4. Режимы работы видеотерминалов
Обычно работа видеотерминала относится к одному из следующих режимов: символьному, графическому и RS-232-C. Они отличаются друг от друга тем, каким образом компьютер обменивается с терминалом информацией. Если мониторы (и видеоплаты) персональных компьютеров могут работать в символьном и графическом режимах, то терминалы стандарта RS-232-C, относящегося как к монитору, так и клавиатуре, предназначены только для него. Рассмотрим кратко каждый из этих режимов (и соответствующих им терминалов).
2.7.4.1. Символьные терминалы
На видеоплате персонального компьютера находится специальная область памяти - видеопамять, а также имеется несколько электронных устройств для получения доступа к шине и генерирования видеосигналов. Чтобы отобразить на экране символы, центральный процессор посылает их в видеопамять в виде байтов. С каждым байтом-символом связывается байт-атрибут, который описывает, как именно символ должен быть изображен на экране. Атрибут указывает цвет символа, его интенсивность, а также мигает он или нет. Таким образом, изображение 25x80 символов требует наличия 4000 байтов видеопамяти (2000 для символов и 2000 для атрибутов). Большинство плат содержат больше памяти, чтобы хранить несколько изображений.
Физически видеоплата для нормальной работы монитора должна регулярно посылать на экран символы из видео-ОЗУ. За один раз посылается целая строка символов, поэтому можно вычислять отдельные строки развертки. Этот сигнал является аналоговым сигналом с высокой частотой, и он контролирует развертку электронного луча, рисующего символы на экране. В таком режиме для предотвращения искажений монитор должен находиться от компьютера не дальше нескольких метров.
2.7.4.2. Графические терминалы
При этом способе вывода на экран видеопамять рассматривается не как массив символов, а как массив точек изображения, которые называются пикселами. Каждый пиксел может быть включен или выключен. В персональных компьютерах монитор может содержать 640x480 пикселов, чаще используются мониторы разрешением 800x600 и выше. Мониторы рабочих станций обычно содержат 1280x960 пикселов и более. Для цветных мониторов каждый пиксел содержит 8, 16 или 24 бита (в зависимости от используемого количества цветов).
Графические терминалы обычно используются для поддержки изображений, содержащих несколько окон. Окном называется область экрана, используемая некоторой программой для вывода информации. Если одновременно работает несколько программ, на экране появляется несколько окон, при этом каждая программа отображает результаты независимо от других программ.
Хотя графические терминалы универсальны (могут изображать и символы любым шрифтом), у них по сравнению с символьными терминалами есть два больших недостатка: они требуют большого объема видео-ОЗУ и имеют низкую производительность.
2.7.4.3. Терминалы RS-232-C
В целях всеобщей совместимости терминалов и компьютеров Ассоциация стандартов в электронной промышленности разработала интерфейс под названием RS-232-C, который используется для побитной передачи символов.
Терминалы RS-232-C содержат стандартизованный разъем с 25 выводами. Стандарт RS-232-C определяет размер и форму разъема, уровни напряжения и значение сигнала на каждом выводе. Этот стандарт можно использовать и для удаленных терминалов. При этом возможно применение телефонных линий посредством модемов.
Чтобы обмениваться информацией, компьютер и терминал должны содержать микросхемы UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик), а также логическую схему для доступа к шине. Чтобы отобразить на экране символ, компьютер выбирает его из основной памяти и передает своему UART, который затем отправляет его бит за битом по кабелю RS-232-C. UART также добавляет к каждому символу начальный и конечный биты, чтобы отделить один символ от другого. При скорости передачи 110 бит/с используются 2 конечных бита.
В терминале другой UART получает биты и восстанавливает целый символ, который затем отображается на экране. Входная информация, которая поступает с клавиатуры терминала, также преобразуется в терминале из целых символов в последовательность битов, а затем UART в компьютере восстанавливает целые символы.
Стандарт RS-232-C определяет еще около 25 управляющих сигналов (готовность терминала, готовность набора данных, запрос пересылки и т. п.). На практике используются только некоторые из них (большинство не задействуется, если терминал непосредственно соединен с компьютером проводом, без модема).
Заметим, что по этому же стандарту происходит передача данных через последовательные порты компьютера (COM1, COM2, …), которые для передачи и приема также используют микросхемы UART.
2.7.5. Мыши
Поначалу у большинства компьютеров был интерфейс с командной строкой, в которой пользователь набирал различные команды. Многие неспециалисты считали такой интерфейс недружелюбным, поэтому компьютерные фирмы разработали интерфейсы с возможностью указания на экран. Для создания такой возможности чаще всего используется мышь.
Мышь - это маленькая пластиковая коробка, которая лежит на столе рядом с клавиатурой. При ее перемещении по столу курсор на экране синхронно двигается, позволяя указывать на элементы экрана. У мыши есть одна, две или три кнопки, нажатие на которые дает возможность пользователю инициировать программные действия.
Существует три типа мышей: механические, оптомеханические и оптические. У мышей первого типа снизу торчат резиновые колесики, оси которых расположены перпендикулярно друг к другу. Если мышь передвигается в вертикальном направлении, то вращается одно колесо, а если в горизонтальном, то другое. Каждое колесико приводит в действие резистор (потенциометр). Если измерить изменения сопротивления, можно узнать, на сколько провернулось колесо, и таким образом вычислить, на какое расстояние передвинулась мышь в каждом направлении. Такие мыши были вытеснены новой моделью, в которой вместо колес используется один высовывающийся снизу шарик. Шарик механически связан с выводами обоих резисторов.
Оптомеханические мыши отличаются тем, что вращающийся шарик связан с выводами кодировщиков. В каждом кодировщике имеются прорези, через которые проходит свет. Когда мышь двигается, выводы вращаются и световые импульсы воздействуют на детекторы каждый раз, когда между светодиодом и детектором появляется прорезь. Число воспринятых детектором импульсов пропорционально количеству перемещения.
Следующий тип - оптическая мышь. Вместо шарика в ней используются светодиод и фотодетектор, расположенный в нижней части мыши. Оптическая мышь перемещается по поверхности специального коврика, который содержит прямоугольную решетку с горизонтальными и вертикальными линиями. Когда мышь двигается по решетке, фотодетектор воспринимает пересечения линий, наблюдая изменения в количестве света, отражаемого от светодиода. Электронное устройство внутри мыши подсчитывает количество пересеченных линий в каждом направлении. В дальнейшем удалось отказаться от использования коврика.