Устройства, входящие в состав персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 14. Устройства, входящие в состав персонального компьютера

В этой лекции рассматриваются основные устройства, входящие в состав персонального компьютера, их функции, принципы их организации, принципы обмена информацией с ними.

Ключевые слова: оперативная, постоянная и внешняя память ПК, тактовый генератор, системный таймер, контроллеры прерываний и ПДП.

1. Память персонального компьютера

Как и в любой другой микропроцессорной системе, память персонального компьютера состоит из двух частей: оперативной памяти и постоянной памяти. Обе части расположены в адресном пространстве памяти, к обеим компьютер может обращаться одинаковым образом. Обе памяти допускают обращения к отдельным байтам, 16-разрядным словам (имеющим четные адреса), к 32-разрядным двойным словам (имеющим адреса, кратные четырем) и к 64-разрядным учетверенным словам (имеющим адреса, кратные восьми). Различие только в том, что оперативную память используют для временного хранения программ и данных, а в постоянной памяти хранятся программы начального запуска, начального самотестирования компьютера, а также набор программ ввода/вывода нижнего уровня, то есть то, что не должно теряться при выключении питания компьютера. Объем оперативной памяти гораздо больше, чем постоянной памяти.

1.1 Оперативная память

Оперативная память занимает значительную часть адресного пространства компьютера. Ее установленный объем и быстродействие оказывают огромное влияние на быстродействие персонального компьютера в целом (порой даже большее, чем скорость процессора). Надежность ее работы во многом определяет надежность всего компьютера. Поэтому всеми разработчиками ей уделяется большое внимание.

Все персональные компьютеры используют оперативную память динамического типа (DRAM -- Dynamic Random Access Memory), основным преимуществом которой перед статической оперативной памятью (SRAM -- Static RAM) является низкая цена. Это связано с тем, что если элемент

статической памяти (триггер) требует 4--6 транзисторов, то элемент динамической памяти -- это интегральный конденсатор, для обслуживания которого требуется 1 --2 транзистора. Отсюда же следуют два основных недостатка динамической памяти: она требует регенерации (то есть постоянного возобновления заряда на разряжающемся конденсаторе) и имеет в несколько раз меньшее быстродействие по сравнению со статической памятью. К тому же во время регенерации динамическая память недоступна для обмена, что также снижает быстродействие компьютера. Отметим, что сейчас обычно применяют встроенную регенерацию, не требующую внешнего обслуживания, но опять-таки занимающую время.

Переход на полностью статическую память слишком сильно повысил бы стоимость компьютера в целом (к тому же необходимый объем оперативной памяти компьютера все увеличивается), поэтому статическую память применяют только в самых «узких» местах, там, где без высокой скорости не обойтись, например, для кэш-памяти. Что касается динамической памяти, то ее развитие идет по пути снижения времени доступа благодаря структурным и технологическим усовершенствованиям. Например, второе поколение динамической памяти EDO RAM (Extended Data Output RAM) имело быстродействие примерно на 20--25% выше, чем у обычной памяти. Это достигается за счет того, что следующее обращение к памяти возможно еще до завершения предыдущего обращения. Третье поколение динамической памяти -- SDRAM (Synchronous DRAM) -- еще на столько же быстрее (рабочая частота в настоящее время достигает 133 МГц). Еще более быстродействующая память -- DDR SDRAM (частота до 400 МГц) и память RDRAM (частота до 1 ГГц и даже выше).

Для упрощения установки оперативной памяти в компьютер ее выполняют в виде небольших модулей -- печатных плат с ножевым (печатным) разъемом, на которые установлены микросхемы памяти (SIMM -- Single In-Line Memory Module). Эти модули устанавливаются в специальные SIMM-разъемы на материнской плате, что позволяет пользователю легко менять объем памяти компьютера, учитывая при этом необходимый уровень быстродействия, сложность решаемых задач и свои финансовые возможности. Широко применяются 72-контактные SIMM-модули разного объема. Отметим, что не рекомендуется одновременно использовать несколько модулей с разным быстродействием: в некоторых компьютерах это приводит к сбоям. В современных компьютерах на базе процессоров Pentium применяются также модули DIMM (Dual In-Line Memory Module -- модуль памяти с двусторонними печатными выводами), имеющие 64 бита данных.

Модули памяти иногда поддерживают проверку содержимого памяти на четность. Для этого к 8 битам данных каждого адреса памяти добавляется девятый бит четности. Он записывается при каждой записи информации в соответствующий байт памяти и проверяется при чтении информации из соответствующего байта памяти. Если обнаруживается несоответствие бита четности байту информации, то вырабатывается сигнал, вызывающий немаскируемое прерывание NMI.

Все адресное пространство памяти компьютера разделяется на несколько областей, что связано, в первую очередь, с необходимостью обеспечения совместимости с первыми компьютерами семейства. В компьютере IBM PC XT на процессоре i8088 процессор мог адресовать 1 Мбайт памяти (20 адресных разрядов). Но все программные и аппаратные средства строились исходя из предположения, что доступное адресное пространство -- только младшие 640 Кбайт (тогда это казалось вполне достаточным). Данная область памяти получила название стандартной памяти (Conventional memory). Именно в пределах этих 640 Кбайт (адреса 0...9FFFF) работает операционная система MS DOS и все ее прикладные программы.

Первые 1024 байта (адреса 0...3FF) хранят таблицу векторов прерывания (Interrupt Vectors) объемом 256 двойных слов, формируемую на этапе начальной загрузки. Однако если процессор работает в защищенном режиме, таблица векторов может располагаться в любом другом месте памяти.

Адреса 400...4FF отводятся под область переменных BIOS (BIOS Data Area). Подробнее о BIOS будет рассказано в следующем разделе.

Адреса 500...9FFFF включают в себя область операционной системы DOS (DOS Area) и память пользователя (User RAM).

Оставшиеся от 1 Мбайта памяти 384 Кбайта (адреса AOOOO...FFFFF), зарезервированные под другие системные нужды, называются UMA (Upper Memory Area) -- область верхней памяти или UMB (Upper-Memory Blocks) -- блоки верхней памяти или High DOS Memory.

Пространство видеопамяти (адреса AOOOO...BFFFF) содержит области для хранения текстовой и графической информации видеоадаптера.

Пространство памяти с адресами EOOOO...FFFFF отведено под системную постоянную память компьютера ROM BIOS.

В этой же области выделено окно размером в 64 Кбайта (page frame) с адресами DOOOO...DFFFF, через которое программы могли получать доступ к дополнительной (отображаемой) памяти (Expanded memory) объемом до 32 Мбайт, оставаясь в пределах того же 1 Мбайта адресуемой памяти. Это достигается путем поочередного отображения четырех страниц по 16 Кбайт из дополнительной памяти в выделенное окно. При этом положение страниц в дополнительной памяти можно изменять программным путем. Понятно, что работать с дополнительной памятью менее удобно, чем с основной, так как в каждый момент компьютер «видит» только окно I) 64 Кбайт. Поэтому сейчас она применяется довольно редко.

В настоящее время область памяти с адресами СОООО...ОРРРРчаще используется для оперативной и постоянной памяти, входящей в состав различных адаптеров и плат расширения компьютера.

В результате логическая организация адресного пространства в пределах 1 Мбайт получилась довольно сложной (рис. 7.10). И такую же организацию должны поддерживать все персональные компьютеры семейства IBM PC для обеспечения совместимости с предшествующими моделями.

Рис. 7.10. Распределение адресного пространства памяти.

При дальнейшем расширении адресуемого пространства памяти в последующих моделях компьютеров вся память объемом свыше 1 Мбайт получила название расширенной памяти (Pxtended memory). Для доступа к ней микропроцессор должен переходить из реального режима в защищенный и обратно. Общий объем памяти персонального компьютера (верхняя граница расширенной памяти) может доходить до 16 Мбайт (24 разряда адреса) или до 4 Гбайт (32 разряда адреса).

Особого упоминания заслуживает так называемая теневая память (Shadow RAM), представляющая собой часть оперативной памяти, в которую при запуске компьютера переписывается содержание постоянной памяти, и заменяющая эту постоянную память на время работы компьютера. Необходимость данной процедуры вызвана тем, что даже сравнительно медленная динамическая оперативная память оказывается все-таки быстрее, чем постоянная память. Постоянная память часто заметно сдерживает быстродействие компьютера. Полому было предложено выделять часть оперативной памяти для исполнения обязанностей как системной постоянной памяти ROM BIOS, так и постоянной памяти, входящей в состав дополнительных адаптеров, которые подключаются к компьютеру. Переписывание информации обычно предусмотрено в программе начального пуска.

В связи с особенностями работы динамической памяти для сокращения времени доступа к ней применяются специальные режимы работы оперативной памяти: режим расслоения (интерливинг) и страничный режим.

Использование режима интерливинга предполагает не совсем обычное разбиение памяти на банки (части). Если при обычном разбиении ( последовательной адресации) адреса следующего банка начинаются после окончания адресов предыдущего, то при интерливинге адреса банков чередуются. То есть, например, после первого адреса первого банка следует первый адрес второго банка, затем второй адрес первого банка и торой адрес второго банка и т.д. Получается, что в одном банке четные слона, а в другом -- нечетные. Таких чередующихся банков может быть не только два, а четыре, восемь, шестнадцать. Объемы банков при этом должны быть одинаковыми. В результате такого подхода появляется возможность начинать обращение к следующему слову еще до окончания процесса доступа к предыдущему.

Страничный режим предполагает постраничную работу микросхем памяти, когда выбор страницы производится один раз на всю страницу, а выбор ячейки внутри страницы может происходить гораздо быстрее. Для поддержки обоих режимов применяются специальные технологические решения.

Здесь же отметим, что при замене памяти компьютера или при установке дополнительных банков памяти надо строго следовать рекомендациям изготовителей системных плат, так как порядок заполнения банков может быть далеко не очевиден.

1.2 Постоянная память

Системная постоянная память (ПЗУ) занимает сравнительно небольшой объем (обычно 64 Кбайта). Однако ее значение для компьютера очень велико. Само ее название ROM BIOS (ROM Basic Input/Output System) -- базовая система ввода/вывода -- говорит о том, что в ней находится функционально полный набор программ нижнего уровня для управления устройствами ввода/вывода. Поэтому даже до загрузки в оперативную память исполняемых программ с диска компьютер имеет возможность обслуживать клавиатуру, дисплей, подавать звуковые сигналы, общаться с дисками и т.д. Важно отметить, что большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеров накопителей имеют собственную систему BIOS, которая дополняет или даже заменяет системную BIOS во время основной работы. Вызов программ BIOS осуществляется через программные или аппаратные прерывания, для чего BIOS формирует соответствующую таблицу векторов прерываний. Но этим функции постоянной памяти не ограничиваются.

В принципе, под память ROM BIOS отведено 128 Кбайт памяти. В первых компьютерах (IBM PC XT) она занимала всего 8 Кбайт, сейчас обычно занимает 64 Кбайт. Если же нужно использовать системную постоянную память большего объема, то она поочередно отображается на окно системной памяти размером 64 Кбайт (адреса FOOOO...FFFFF). Это связано со стремлением сэкономить пространство верхней памяти для других целей.

При старте компьютера после включения питания, нажатия кнопки на передней панели RESET или после программного перезапуска начинает выполняться программа начального запуска, также хранящаяся в постоянной памяти (начальный адрес FFFFO) . Эта программа включает в себя:

* программу самотестирования компьютера (POST -- Power On Self Test);

* программу начальной загрузки операционной системы с соответствующего дискового накопителя компьютера;

* программу задания текущих параметров компьютера (Setup). Кроме программы начального запуска ROM BIOS также обслуживает аппаратные прерывания от системных устройств (таймера, клавиатуры, дисков), а также отрабатывает базовые программные обращения к системным устройствам.

Отметим, что в последнее время ROM BIOS выполняется не на микросхемах собственно постоянной памяти, а на микросхемах, допускающих многократную перезапись информации пользователем EPROM (Erasable Programmable ROM) с электрической перезаписью -- типа флэш (flash), что позволяет более гибко настраивать компьютер. Пользователь может легко модернизировать BIOS своего компьютера с помощью программы перезаписи флэш-памяти. При использовании же микросхем ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием для этого требовались специальный программатор и стирающее устройство (ультрафиолетовая лампа).

Программа самотестирования POST позволяет производить простейшую диагностику основных узлов компьютера, включая определение полного объема установленной оперативной памяти. Информация о ее результатах выводится тремя способами:

* сообщениями на дисплее (наиболее наглядно и понятно пользователю);

* звуковыми сигналами (что очень полезно при неработоспособном дисплее);

* выдачей кодов в определенный порт ввода/вывода, обычно это порт с адресом 080 (на этом основаны все диагностические приборы).

Сообщения на дисплее могут прямо называть обнаруженную неисправность или неисправный блок или же выдавать специальный код ошибки, по которому впоследствии в прилагаемой документации можно найти причину неисправности компьютера.



Табл. 7.2. Звуковые сигналы POST BIOS.

Звуковые сигналы не отличаются особым разнообразием, но, тем не менее, позволяют обнаружить и идентифицировать основные ошибки. Для примера в табл. 7.2 приведены звуковые сигналы об ошибках, используемые BIOS компании IBM (для BIOS других фирм сигналы могут быть иными).

Использование специальных диагностических приборов особенно эффективно: по некоторым оценкам, с их помощью можно обнаружить до 95% неисправностей. Однако их применяют только специальные сотрудники сервисных служб.

Начиная с компьютеров на процессоре 80286 (IBM PC AT) постоянная память ROM BIOS обязательно дополняется небольшой энергонезависимой оперативной памятью CMOS RAM, которая выполнена на микросхемах с пониженным энергопотреблением с технологией КМОП (CMOS) и при выключении питания компьютера подпитывается от батарейки или аккумулятора (эта память, как правило, входит в состав других микросхем). В CMOS-памяти хранится информация о текущих показаниях часов (дате и времени), о значении времени для будильника, о конфигурации компьютера: приоритете загрузки с разных накопителей, количестве памяти, типах накопителей, режимах энергопотребления, о типе дисплея, об установках клавиатуры и т.д. CMOS RAM отличается от постоянной памяти тем, что записанная в нее информация легко меняется программным путем.

Задавать все параметры компьютера, сохраняемые в CMOS RAM, позволяет программа BIOS Setup, вызвать которую можно путем нажатия назначенных клавиш во время процедуры начальной загрузки компьютера (информация об этом всегда выводится на экран). В современных компьютерах данная программа предлагает довольно удобный и наглядный интерфейс пользователя с привычными меню.

Описание работы с BIOS Setup любого компьютера обязательно поставляется вместе с ним. Иногда с помощью этой программы удается значительно повысить быстродействие компьютера благодаря выбору оптимальных (или даже предельных) для данной конфигурации параметров: частоты системной шины, количества тактов задержки при обмене с системной памятью и кэш-памятью.

Программа Setup позволяет также разрешить или запретить использование теневой (Shadow) памяти как для системного BIOS, так и для BIOS используемых адаптеров (по отдельным сегментам памяти). При использовании теневой памяти в выбранную область оперативной памяти копируется содержимое BIOS ROM, эта область определяется как доступная только для чтения, и производится переадресация памяти. То есть при любых обращениях по адресам ROM чтение данных будет производиться из соответствующих адресов Shadow RAM, а постоянная память уже не используется. Такой подход может существенно (иногда в 4 -- 5 раз) ускорить выборку команд для программ обмена с видеоадаптером и с дисковыми накопителями.

В программе Setup всегда предусмотрена возможность установки параметров компьютера по умолчанию (Default Setting). Это особенно удобно в случае разряда или повреждения батареи или аккумулятора.

В новых компьютерах, поддерживающих режим экономии потребляемой электроэнергии, можно также задавать переход компьютера в режимы Doze (спящий), Standby (ожидания или резервный) и Suspend (приостановки работы) при отсутствии обращений к узлам компьютера в течение заданного времени. Режимы перечислены в порядке снижения потребления электроэнергии. Компьютеры (а также их системные платы), где применяются такие режимы, называются иногда «зелеными».

2. Системные устройства

Помимо микропроцессора и системной памяти на системной (материнской) плате располагаются и другие важные модули, обеспечивающие работоспособность компьютера: контроллеры прерываний и прямого доступа, тактовый генератор, системный таймер, буферные микросхемы, контроллер шины и т.д. В первых компьютерах семейства нес эти функции выполняли отдельные специализированные микросхемы сравнительно низкой степени интеграции. В современных компьютерах применяются сверхбольшие интегральные схемы, которые, тем не менее, обеспечивают полную программную и аппаратную совместимость с предыдущими моделями. Эти микросхемы называются набором микросхем или chipset (чипсет). Преимущества такого подхода -- chipset занимает меньше места на плате, меньшая потребляемая мощность, значительно большая надежность. Компьютеры, выполненные на системных платах с chipset известных фирм, имеют лучшую репутацию. В большинство наборов микросхем входит так называемый периферийный контроллер, включающий два контроллера прерываний, два контроллера прямого доступа к памяти, таймер, часы реального времени, а также CMOS-память.

2.1 Тактовый генератор

Системный тактовый генератор генерирует сигналы синхронизации для работы микропроцессора, всех контроллеров и системной шины. Для обеспечения высокой стабильности тактовых частот и их независимости от температуры применяются кварцевые резонаторы, то есть кристаллы кварца, имеющие высокостабильную частоту собственных колебаний. Как правило, в состав системной платы входит несколько кварцевых резонаторов, каждый из которых обеспечивает свой тактовый сигнал. Тактовую частоту процессора можно выбирать путем установки перемычек на системной плате. Это позволяет пользователю модернизировать компьютер путем замены процессора на другой, рассчитанный на более высокую тактовую частоту. Иногда удается заставить процессор работать на более высокой тактовой частоте, чем та, на которую он рассчитан, но здесь нужно соблюдать осторожность, так как повышение частоты ведет не только к увеличению потребляемой мощности и перегреву микросхемы, но и к ошибкам и сбоям в работе, причем проявляющихся только в отдельных режимах, например, в многозадачном.

В компьютерах на базе процессоров 486 и Pentium применяется деление опорной тактовой частоты для синхронизации системной шины и внутреннее умножение частоты в процессорах. Например, в процессоре 486DX2-66 используется умножение на два тактовой частоты 33,3 МГц, а в процессорах семейства Pentium применяется умножение на 2,5 (при опорной частоте 60 МГц частота процессора 150 МГц) или на 3 (при опорной частоте 66,6 МГц частота процессора 200 МГц).

В общем случае в компьютере существуют следующие тактовые частоты:

* Host Bus Clock (CLK2IN) -- это опорная частота (внешняя частота шины процессора). Именно из нее могут получаться другие частоты и именно она задается перемычками (джамперами);

* CPU Clock (Core Speed) -- это внутренняя частота процессора, на которой работает его вычислительное ядро. Может совпадать с Host Bus Clock или получаться из нее умножением на 1,5, 2, 2,5, 3, 4. Умножение должно быть предусмотрено в конструкции процессора.

* ISA Bus Clock (ATCLK, BBUSCLK) -- это тактовая частота системной шины ISA (сигнал SYSCLK). По стандарту она должна быть близка к 8 МГц, но в BIOS Setup имеется возможность выбрать ее через коэффициент деления частоты Host Bus Clock. Иногда компьютер остается работоспособным и при частоте шины ISA около 20 МГц, но обычно платы расширения ISA разрабатываются из расчета на 8 МГц, и при больших частотах они перестают работать. Не следует рассчитывать, что компьютер станет вдвое быстрее при удвоении этой частоты. Для каналов прямого доступа к памяти на системной плате используется еще один тактовый сигнал SCLK, частота которого, как правило, составляет половину от ISA Bus Clock.

* PCI Bus Clock -- это тактовая частота системной шины PCI, которая по стандарту должна быть 25 -- 33,3 МГц. Ее обычно получают делением частоты Host Bus Clock на нужный коэффициент. В компьютерах предусматривается возможность ее увеличения до 75 или даже 83 МГц, но из соображений надежности работы рекомендуется придерживаться стандартных значений.

* VLB Bus Clock -- это частота локальной шины VLB, определяемая аналогично PCI Bus Clock.

2.2 Контроллер прерываний

Контроллеры радиальных прерываний в первых компьютерах выполнялись на микросхемах J8259, каждая из которых имела 8 входов запроса прерываний. В IBM PC AT применялось две таких микросхемы, в результате чего количество входов запросов прерываний увеличилось до 15. Режимы работы контроллеров прерываний определяются процессором пу-

тем записи соответствующих управляющих кодов по адресам в пространстве устройств ввода/вывода.

О циклах обмена по прерываниям уже говорилось в разделе 2.2.2. При поступлении запроса прерывания на один из входов 1RQ и удовлетворении этого запроса контроллер прерываний вырабатывает выходной сигнал запроса прерывания, поступающий на процессор. В ответ на это процессор запрашивает контроллер о том, прерывание с каким адресом вектора необходимо обслужить. Всего прерываний может быть 256 (от 00 до FF). Номер прерывания, полученный от контроллера, процессор умножает на 4 и получает, таким образом, адрес памяти, где хранится адрес начала программы обработки прерываний (вектор прерывания). Присваивание каждому из каналов IRQ своего номера процессор осуществляет на этапе инициализации контроллера.

Контроллер прерываний может выполнять следующий набор операций:

* маскирование запросов на прерывание, то есть временное запрещение реакции на них;

* установка приоритетов запросов по различным входам, то есть разрешение конфликтов при одновременном приходе нескольких запросов на прерывание;

* работа в качестве основного контролера (Master) или подчиненного (Slave).

Для маскирования прерываний используется внутренний регистр контроллера, программно доступный процессору как по записи, так и по чтению. Замаскирован может быть каждый запрос (по каждой из линий IRQ), путем установки соответствующего бита маскирования в записываемом в контроллер управляющем байте.

Схема приоритетов прерываний может быть задана процессором программным путем. В базовом варианте все приоритеты фиксированы (то есть IRQO имеет высший приоритет, a IRQ7 -- низший). Но в принципе высший уровень приоритета задается для любого из входов запросов, можно также установить циклическое переключение приоритетов (последний обслуженный запрос получает низший приоритет), обеспечивая тем самым всем запросам равные приоритеты. Если во время обработки прерывания с меньшим уровнем приоритета приходит более приоритетный запрос, то процессор переходит на программу обработки более приоритетного запроса, а после ее выполнения возвращается к программе обработки менее приоритетного запроса. Отметим, что немаскируемое прерывание N МI имеет приоритет выше любого другого аппаратного прерывания.

Завершив выполнение программы обработки прерывания, процессору необходимо с помощью специальной команды сообщить об этом контроллеру прерываний, чтобы разрешить ему дальнейшую работу, в частности, вновь обрабатывать тот же самый запрос.

Контроллер 8259 предусматривает возможность выбора способа распознавания запроса на прерывание -- по фронту сигнала IRQ и по уровню этого сигнала. В архитектуре компьютера типа PC используется запрос по фронту.

При каскадировании контроллеров основному контроллеру надо указать, к какому из его входов подключен подчиненный контроллер, а подчиненному контроллеру необходимо указать, к какому входу основного контроллера подключен его выходной сигнал запроса.

Все операции начальной настройки контроллеров прерываний выполняет BIOS, и пользователю нужно прибегать к программированию этих контроллеров только при необходимости смены режимов обслуживания прерываний или при написании собственной программы обработки аппаратных прерываний.

2.3 Контроллер прямого доступа к памяти

Контроллер прямого доступа к памяти имеет более сложную структуру по сравнению с контроллером прерываний, что связано с его более сложными функциями. На время ПДП контроллер ПДП становится задатчи-ком (активным устройством) системной шины, выставляя все основные сигналы шины самостоятельно. Однако все режимы работы контроллера ПДП, все его параметры устанавливаются процессором на этапе инициализации контроллера. В частности, процессор определяет тип решаемой задачи, задает начальный адрес передаваемого или принимаемого массива данных, а также размер этого массива.

В персональном компьютере применяется два четырехканальных контроллера ПДП типа 18237, обеспечивающих 7 каналов ПДП (один канал задействован под каскадирование контроллеров по тому же принципу, что и контроллеры прерываний). Помимо собственно контроллеров ПДП в подсистему ПДП входят также программно доступные регистр старшего байта адреса и регистры страниц ПДП.

О циклах обмена в режиме ПДП уже говорилось в разделе 2.2.3. Получив сигнал запроса ПДП по одной из линий DRQ, контроллер формирует запрос процессору на захват шины и, получив разрешение от процессора, сообщает о предоставлении ПДП запросившему прямой доступ устройству по соответствующей линии DACK. После этого производится цикл ПДП, пересылающий данные из устройства ввода/вывода в память или наоборот. При этом сам контроллер ПДП формирует только 16 младших разрядов адреса памяти, а восемь старших разрядов содержатся в регистре страниц. Свой собственный регистр страниц соответствует каждому из каналов ПДП.

Передача данных в случае ПДП возможна по одному из следующих режимов:

* Режим одиночной (поцикловой) передачи. В этом случае за время предоставления ПДП выполняется только один цикл передачи данных, и для следующей передачи надо опять же запросить ПДП. Однако адрес памяти, с которым осуществляется обмен, автоматически меняется после каждого цикла. Этот режим позволяет процессору вставлять свои циклы обмена после каждого цикла ПДП.

* Режим передачи блока (режим блочной передачи). В этом режиме за один раз передается целый блок данных определенной длины (до 64 Кбайт). Режим обеспечивает более высокую скорость передачи по сравнению с режимом одиночной передачи, но может на длительное время захватить системную шину, не допуская к ее управлению процессор.

* Режим передачи по требованию. Этот режим позволяет продолжать ПДП до тех пор, пока устройство, запросившее ПДП, не исчерпает весь объем данных.

* Каскадный режим позволяет объединять контроллеры для увеличения количества каналов ПДП.

* В принципе, возможен режим передачи в режиме ПДП из памяти в память, но в компьютере он не используется.

Как и в случае контроллера прерываний, возможны две схемы приоритетов каналов ПДП, выбираемые программно, -- фиксированный и циклический. Исходная схема -- фиксированные приоритеты, причем нулевой канал имеет максимальный приоритет, а седьмой -- минимальный. Во время обслуживания любого запроса ПДП остальные запросы не могут вмешаться, но после завершения обслуживания данного запроса будет обслуживаться запрос с наибольшим приоритетом. Как и в случае контроллера прерываний, возможно программное маскирование каждого канала ПДП.

Перед началом работы каждому из каналов контроллера процессор должен указать режим, в котором он будет работать, базовый адрес памяти, с которого начнется обмен, количество передаваемых байтов или слон, направление записи в память или чтения из памяти (от старших адресов к младшим или наоборот). Возможен режим автоинициализации, при котором после окончания пересылки всего массива данных контроллер автоматически восстанавливает все параметры, и для этого не требуется вмешательство процессора. Предусмотрена также возможность программного запроса ПДП, обслуживаемого так же, как и аппаратный запрос.

2.4 Системный таймер и часы реального времени

В качестве системного таймера компьютера используется микросхема трехканального 16-разрядного таймера 18254 или ее аналог. Таймер предназначен для получения программно управляемых временных

задержек и генерации сигналов заданной частоты. Таймер позволяет повысить эффективность программирования процессов управления и синхронизации внешних устройств, особенно в реальном времени.

Таймер содержит три независимых канала (О, 1 и 2), каждый из которых может быть, в принципе, запрограммирован на работу в одном из шести режимов счета:

* прерывание терминального счета;

* программируемый генератор одиночного импульса;

* генератор импульсов заданной частоты;

* генератор прямоугольных импульсов типа «меандр»;

* программно формируемый строб;

* аппаратно формируемый строб.

На каждый канал могут подаваться входные синхросигналы. Из каждого канала можно получать сигнал с частотой, равной входной частоте, деленной на произвольное 16-разрядное число. В компьютере на все входы поступают синхросигналы частотой 1,19 МГц. Все каналы таймера в компьютере имеют специальное назначение, поэтому особой свободы в выборе режима работы или переназначении функций у пользователя нет.

* Выход канала 0 связан с сигналом запроса прерывания IRQO и обеспечивает прерывание для счетчика реального времени (используется режим работы 3). Пользователю не рекомендуется перепрограммировать этот канал. При старте компьютера канал программируется так, чтобы выдавать импульсы примерно 18,2 раза в секунду. По этому прерыванию программно увеличивается состояние счетчика реального времени. Пользователь может читать состояние данного счетчика из специально выделенной ячейки памяти и применять его для задержек в своих программах.

* Выход канала 1 генерирует сигнал запроса регенерации динамической памяти (режим работы 2). Использование этого канала не по назначению может привести к потере содержимого оперативной памяти.

* Выход канала 2 генерирует тональный сигнал для встроенного динамика компьютера (режим работы 3). Однако разрешение этого тонального сигнала производится установкой выделенных разрядов (О и 1) программно доступного параллельного порта контроллера периферийных устройств. Один разряд (0) разрешает работу канала, другой разряд (1) пропускает выходной сигнал на динамик.

Таким образом, пользователь компьютера может задействовать только канал 2. Чаще всего его применяют для генерации звуков заданной частоты и длительности. Кроме того, выходной сигнал данного канала программно доступен по чтению из одного из разрядов параллельного порта. Это позволяет, запрограммировав таймер соответствующим образом, выдерживать нужные временные интервалы. Для этого следует программно разрешить генерацию (при отключенном динамике), а затем программно опрашивать выходной сигнал таймера и принимать решения по изменению его уровня.

Подсистема часов реального времени в первых компьютерах выполнялась на микросхеме контроллера МС146818 фирмы Motorola. Этот контроллер содержит 64 байта CMOS-памяти, из которых первые 14 байт используются для часов реального времени, а остальные 50 байт хранят информацию о конфигурации системы.

Для входного тактового сигнала контроллера применяется специальный «часовой» кварцевый генератор с частотой 32 768 кГц, что позволяет с помощью деления частоты получить импульсы с частотой 1 Гц. Контроллер считает секунды, минуты, часы, дни недели, месяцы и годы. Причем работает он даже при отключении питания компьютера, подпитываясь от батареи или аккумулятора. Это позволяет сохранять информацию о текущем времени постоянно.

Помимо счетчика текущего времени, контроллер имеет в своем составе будильник. Будильник может формировать прерывания (IRQ8) с программно заданной периодичностью. Состояния всех счетчиков (секунд, минут, часов и т.д.) программно доступны как по чтению, так и по записи, что позволяет устанавливать нужное время и следить за ним.

3. Средства интерфейса пользователя

Для связи компьютера с пользователем (то есть организации интерфейса пользователя) применяются видеоадаптер, управляющий видеомонитором, клавиатура и графический манипулятор типа «мышь» (mouse), touch pad или stick pointer.

Видеоадаптер представляет собой устройство сопряжения компьютера с видеомонитором и чаще всего выполняется в виде специальной платы расширения, вставляемой в системную шину или локальную шину компьютера. При этом изображение, формируемое на экране монитора, хранится в видеопамяти, входящей в состав видеоадаптера.

Видеопамять представляет собой оперативную память, которая, хотя и не является, по сути, системной памятью, рассматривается процессором как часть системной памяти с адресами АОООО -- BFFFF (всего 128 Кбайт). То есть с этой памятью процессор может взаимодействовать как с системной оперативной памятью: писать информацию в любую ячейку и читать информацию из любой ячейки. Но одновременно эта же память постоянно сканируется (то есть последовательно опрашивается) самим видеоадаптером для формирования растрового изображения на экране монитора. То есть доступ к этой памяти имеют как процессор, так и видеоадаптер.

Скорость обмена с видеопамятью -- довольно важный параметр, он влияет на удобство работы с компьютером и часто определяет круг задач, который может им выполняться. Поэтому для видеопамяти используют самые быстродействующие микросхемы. Кроме того, применяют специальные архитектурные решения, позволяющие облегчить разделение доступа к памяти со стороны процессора и видеоадаптера. Например, в случае двухпортовой памяти VRAM -- Video RAM, к каждой ее ячейке одновременно могут получить доступ (с записью или чтением) как процессор, так и сам адаптер. Отметим, что в старых видеоадаптерах для снижения искажений изображения на экране во время перезаписи содержимого памяти использовалось обращение к памяти со стороны центрального процессора только в периоды кадрового и строчного гасящего импульсов (когда электронный луч монитора гасится при переходе к следующей строке экрана или к следующему кадру). Все современные видеоадаптеры могут работать в двух основных режимах: текстовом (символьном, алфавитно-цифровом) и графическом. В текстовом режиме видеопамять имеет начальный адрес В8000, а в графическом -- АОООО.

В текстовом режиме на экран можно выводить только отдельные символы, причем только в определенные позиции на экране. При этом в видеопамяти хранятся исключительно коды выводимых символов (8-разрядные) и коды атрибутов символов (8-разрядные). То есть каждой символьной позиции на экране соответствует два байта памяти. К атрибутам символа относятся яркость, цвет, мерцание как символа, так и его фона. Для преобразования содержимого памяти в видеосигнал точечного изображения применяется так называемый знакогенератор. Он может представлять собой ПЗУ, в котором записано построчное растровое изображение каждого символа. При этом чем больше точек растра отводится по изображение символа, тем он качественнее, но тем больше места занимает на экране. Преимущества текстового режима -- это простота управления экраном и малый объем требуемой памяти. Примером его использования является программа начального запуска BIOS.

В графическом режиме в видеопамяти хранится описание каждой точки на экране монитора. Каждой точке соответствует несколько бит памяти (используется ряд: 1, 4, 8, 16, 24 бит на одну точку). При этом, соответственно, каждая точка может иметь 2" состояний, где п -- количество битов, а под состоянием понимается цвет и яркость точки. При одном бите точка может быть белой или черной, при 4 битах она может иметь 16 цветов, при 8 битах -- 256, при 16 битах -- 65 536, а при 24 битах -- 16 777 216 цветов и оттенков. Здесь же отметим, что общее количество точек на экране в современных компьютерах выбирается из ряда 640 (по горизонтали) х 480 (по вертикали), 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200. Отсюда нетрудно рассчитать требуемый для полного экрана объем видеопамяти. Так, например, при разрешении 800x600 точек и при 256 цветах (8 бит или 1 байт) требуется 800x600x1 = 480 000 байт памяти. При разрешении 1024x768 и 65 536 цветов (2 байта) требуется 1024x768x2 = 1 572 864 байта. Однако объем видеопамяти выбирается из следующего ряда: 256 Кбайт, 512 Кбайт, 1 Мбайт, 2 Мбайт, 4 Мбайт, 8 Мбайт, 16 Мбайт. В табл. 7.3 приведены необходимые объемы видеопамяти для различных режимов работы видеоадаптера.

Табл. 7.3. Необходимые объемы видеопамяти.

Понятно, что для полного обновления такого большого объема памяти требуется значительное время даже при быстрой видеопамяти и быстром процессоре. В роли ограничивающего фактора будет выступать темп обмена по системной шине. Поэтому именно видеоадаптеры первыми стали размещать на локальной шине VLB или на шине PCF, а позднее -- на выделенной шине AGR Другое направление ускорения формирования изображения--совершенствование принципов обмена с компьютером. Первые видеоадаптеры были рассчитаны на то, чтобы все манипуляции с изображением проводил сам центральный процессор компьютера. Принципиально иной подход -- использование графического сопроцессора. При этом центральный процессор только дает команды на формирование изображения, а сопроцессор, расположенный на плате видеоадаптера, сам уже выполняет всю обработку, расчеты и формирование объектов на экране, что дает большое увеличение скорости формирования изображений. Промежуточный вариант -- это применение так называемых графических ускорителей, то есть узлов, выполняющих наиболее трудоемкие операции по формированию изображений, но центральный процессор при этом не освобождается полностью от управления видеопамятью.

В настоящее время наиболее распространены два стандарта дисплеев:

* SVGA (Super VGA), который поддерживает максимальное разрешение 1024x768 точек (стандартным считается 800x600 точек) в 16- и 256-цветных режимах при максимальном объеме видеопамяти 4 Мбайт. Кроме того, предусмотрено использование двухпортовой памяти и 16-разрядной шины данных и ряд других новшеств.

* XGA и XGA-2 (extended Graphics Array) -- эти стандарты предложены в 1990 и 1992 г.г. компанией IBM. Основным режимом считается разрешение 1024x768 точек при 256 цветах (XGA) или при 64 К цветах (XGA-2). Отличительная особенность -- использование быстродействующего графического сопроцессора и наличие возможности управлять системной шиной, что позволяет выполнять видеооперации без участия центрального процессора. Так же, как и в SVGA, используется двухпортовая оперативная память, причем она располагается в адресном пространстве компьютера в последних адресах полной 4-гигабайтной области, на которые обычно никто не претендует. В XGA-2, в отличие отХСА, используется только прогрессивная (сплошная, non-interlaced, N1), а не чересстрочная (interlaced) развертка изображения на экране монитора, что обеспечивает малые мерцания. Оба стандарта поддерживают полную совместимость с SVGA.

* UVGA (Ultra VGA) -- основным разрешением считается 1280x1024 точек.

* UXGA - разрешение 1600x1200 точек, XVGA - 1280x768 точек.

Для подключения к компьютеру клавиатуры применяется специальный интерфейс с последовательной передачей информации. Это позволяет использовать для присоединения клавиатуры всего два двунаправленных провода (линия данных и тактовый сигнал). Обмен информацией идет 11-битовыми посылками, включающими 8 разрядов данных и служебную информацию (то есть стартовый бит, бит четности и столовый бит). В компьютере IBM PC XT для подключения клавиатуры использовалась микросхема PPI (Programmable Peripheral Interface) i8255, а в PC AT -- микросхема UPI (Universal Peripheral Interface) i8042.

Принцип работы клавиатуры довольно прост. Он сводится к постоянному сканированию (последовательному опросу) всех клавиш (обычно применяется 101-клавишная клавиатура) и к пересылке в компьютер номера нажатой клавиши (8-битного скэн-кода), причем как при ее нажатии, так и при отпускании. При отпускании клавиши ее скэн-код предваряется посылкой кода FO. Если клавиша удерживается длительное время, то через заданный интервал посылки ее скэн-кодов повторяются с заданной частотой. Если одновременно нажимается более одной клавиши, то повторяется посылка кода только последней из нажатых клавиш.

При получении скэн-кода контроллером 8042 он формирует сигнал запроса аппаратного прерывания IRQ1. Это приводит к вызову программы обработки нажатия клавиши, находящейся в BIOS. Служебные клавиши (Shift, Ctrl, Alt) и переключающие клавиши (Caps Lock, Insert, Num Lock) обрабатываются специальным образом, а в случае нажатия символьных клавиш их скэн-коды преобразуются в коды соответствующих символов и помещаются в буфер клавиатуры. Буфер клавиатуры -- это 16-байтная область памяти, организованная по принципу FIFO «первый вошел -- первый вышел», в которой хранятся коды нажатых клавиш до тех пор, пока их сможет обработать программа.

Современные клавиатуры персональных компьютеров имеют 101 или 102 клавиши. Имеются «расширенные» модели с количеством клавиш до 122 и «усеченные» модели с количеством клавиш около 90, применяемые в портативных компьютерах типа ноутбук.

Начиная с компьютера PC AT, клавиатура может не только передавать информацию, но и принимать ее. Эта возможность используется для пересылки в клавиатуру команд, устанавливающих режимы ее работы (например, скорость повтора ввода символов при удерживаемой клавише или временная задержка перед повтором).

Компьютерная мышь, служащая для управления курсором, подключается к компьютеру через стандартный последовательный интерфейс RS-232С (о нем подробнее -- в отдельной главе). Для передачи компьютеру информации о перемещении мыши используется 3-байтовый формат. Два байта при этом содержат информацию о перемещении мыши по вертикали и по горизонтали, а один байт -- о состоянии кнопок мыши. Передача ведется только в одном направлении (от мыши к компьютеру) со скоростью 1200 бит/с. Перемещение измеряется в специальных единицах cpi (counts per inch), равных примерно 0,005 дюйма (0,13 мм).

Стоит отметить, что мышь, как правило, питается от системного блока компьютера, для чего задействованы неиспользуемые сигнальные линии разъема интерфейса RS-232C, так как собственно напряжения питания на разъем не выведены. Именно поэтому мышь присоединяется к компьютеру четырехпроводным кабелем, хотя для информации хватило бы и двухпроводного. Подробнее об интерфейсе RS-232C в следующей главе. Сейчас используется также подключение мыши через интерфейс PS/2, похожий на RS-232C, но не совместимый с ним ни электрически, ни конструктивно.

Альтернатива мыши -- это манипуляторы Stick Pointer и Touch Pad, которые не имеют движущихся механических частей. Сначала они применялись только в ноутбуках, но затем их стали размешать и на клавиатурах обычных настольных компьютеров. Stick Pointer представляет собой небольшой рычажок, расположенный между клавишами. Давление на него в разные стороны вызывает перемещение курсора на экране. При этом сам рычажок остается неподвижным. Touch Pad представляет собой небольшую площадку, расположенную рядом с клавишами, по которой необходимо двигать пальцем или ручкой, причем движение пальца вызывает такое же перемещение курсора на экране. С точки зрения компьютера эти манипуляторы ничем не отличаются от мыши, они используют тот же интерфейс.

Игровой адаптер джойстик подключается к компьютеру через собственный специальный интерфейс. Для связи с джойстиком не требуется никаких прерываний. Используется только один адрес ввода/вывода.

4. Внешняя память

персональный компьютер память накопитель

Внешняя память компьютера представляет собой дисковые накопители информации -- встроенный накопитель на жестком диске (винчестер) и накопитель на сменных гибких дисках (дискетах). В обоих случаях магнитные диски хранят информацию в виде намагниченных концентрических дорожек (цилиндров) на магнитном покрытии, разбитых на сектора. Диск в накопителе постоянно вращается, а запись и чтение информации производятся перемещаемыми вдоль радиуса диска магнитными головками. Благодаря постоянному прогрессу технологии производства накопителей, развитию технологии магнитных покрытий и магнитных головок, емкость винчестеров повысилась до нескольких десятков гигабайт, а емкость дискет -- до сотен мегабайт (правда, стандартным пока считается объем дискеты 1,44 Мбайт).

Подробное описание работы дисководов и принципов хранения информации на магнитных дисках потребовало бы слишком много места, к тому же оно не имеет прямого отношения к теме данной книги, поэтому мы здесь приведем только некоторые особенности организации обмена информацией.

Важный параметр любого дисковода -- это его быстродействие, которое определяется, с одной стороны, достижимой скоростью записи/чтения информации, а с другой -- временем позиционирования (то есть установки в нужное положение) магнитной головки дисковода. Немаловажно и быстродействие интерфейса, осуществляющего связь компьютера с накопителем, а также применяемые способы организации обмена информацией.

В настоящее время наиболее распространены два стандартных интерфейса для винчестеров:

* IDE (Integrated Drive Electronics) -- интерфейс для дисковых накопителей, официальное название -- ATA (AT Attachment). Именно этот интерфейс применяется в качестве основного в персональных компьютерах. Скорость обмена может достигать 133 Мбайт/с.

* SCSI (Small Computer System Interface) -- малый компьютерный системный интерфейс. В принципе, он используется и для подключения других устройств (например, сканеров), но основное его применение -- для дисководов. Как правило, данный интерфейс изначально включается в структуру только некоторых серверов, а для его реализации н персональных компьютерах необходима дополнительная плата расширения (кстати, довольно дорогая). Скорость обмена может достигать 320 Мбайт/с.

Сравнение этих двух интерфейсов (SCSI и IDE) показывает, что и однопользовательских автономных системах гораздо эффективнее применять IDE, а в многопользовательских и многозадачных системах выгоднее становится SCSI. Стоит также отметить, что установка SCSI сложнее и дороже, чем IDE. Кроме того, при использовании винчестера с интерфейсом SCSI в качестве сетевого диска могут возникнуть проблемы. Преимуществом SCSI является большее количество максимально подключенных дисководов и возможность одновременного выполнения ими подаваемых команд. А что касается скорости обмена, то она в основном определяется не пропускной способностью интерфейса, а другими параметрами, в частности скоростью используемой системной шины. Поэтому точно сказать, дисковод с каким интерфейсом будет работать быстрее, в общем случае невозможно. К тому же в случае IDE реальная скорость очень сильно зависит от схемотехнических решений, использованных изготовителем дисководов.

Для ускорения обмена с дисками широко применяется кэширование, принцип которого близок к принципу кэширования оперативной памяти. Точно гак же кэширование диска позволяет за счет использования более быстрой электронной памяти, чем дисковая память, существенно увеличить среднюю скорость обмена с диском. Здесь принципиально важны несколько моментов:

* в большинстве случаев каждое следующее обращение к диску будет обращением к следующему по порядку блоку информации на диске;

* для позиционирования головки требуется заметное время (порядка миллисекунды);

* искомый сектор на диске может не оказаться под головкой после ее установки, и потребуется ждать его прихода.

Все это приводит к тому, что оказывается гораздо выгоднее содержать в оперативной памяти (дисковой кэш-памяти) копию части диска и обращаться на диск только в том случае, если нужной информации нет в кэш-памяти. Для обмена с кэш-памятью, каки вслучае оперативной памяти, используются методы Write Through (WT) и Write Back (WB). Так как винчестер - это блочно-ориентированное устройство (размер блока равен 512 байт), то данные передаются в кэш блоками. При заполнении кэш-памяти в нее переписываются не только необходимые в данный момент блоки, но и следующие за ними (метод «чтение вперед», Read Ahead), дальнейшее обращение к которым наиболее вероятно. Особенно эффективно кэширование при оптимизации жесткого диска (его дефрагментации), когда каждый файл расположен в группе секторов, следующих друг за другом. Как и в случае кэширования памяти, при кэшировании диска используется механизм LRU, позволяющий обновлять те блоки, к которым дольше всего не было обращений. Кэш-память диска обычно располагается на плате специального кэш-контроллера дисковода, и ее объем может достигать 16 Мбайт.

Для сопряжения с компьютером дисковода для гибких дисков (флоппи-дисков, дискет) традиционно применяется специальный интерфейс SA-400, разработанный в начале 70-х годов. Контроллер присоединяется к дисководу 34-проводным кабелем, причем к одному контроллеру обычно присоединяется до двух дисководов (теоретически их может быть четыре). На каждом накопителе, как правило, имеется четыре перемычки DSO--DS3 (Drive Select) для выбора номера данного дисковода. Данные по интерфейсу передаются в последовательном коде в обоих направлениях (по разным проводам). Скорость передачи данных для дискет емкостью 1,44 Мбайт составляет 500 Кбит/с. Как и контроллер жестких дисков, контроллер гибких дисков в современных компьютерах установлен на системной плате (для старых моделей компьютеров выпускались специальные платы расширения).

...