Дешифратор, или избирательная схема, - это узел ЭВМ, в котором каждой комбинации входных сигналов соответствует наличие сигнала на одной вполне определенной шине на выходе (комбинационное устройство). Дешифраторы широко используются для преобразования двоичных кодов в управляющие сигналы для различных устройств ЭВМ.



Шифратор, или кодер, - это узел ЭВМ, преобразующий унитарный код в некоторый позиционный код. Если выходной код является двоичным позиционным, то шифратор называется двоичным. С помощью шифраторов возможно преобразование цифр десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого другого двоично-десятичного кода.

Преобразователи кодов - это узлы ЭВМ, предназначенные для кодирования чисел. В число преобразователей кодов входят: двоично-десятичные преобразователи, преобразователи цифровой индикации, преобразователи прямого кода двоичных чисел в обратный или дополнительный код и т. д.



Мултиплексоры - это узлы, преобразующие параллельные цифровые коды в последовательные. В этом устройстве выход соединяется с одним из входов в зависимости от значения адресных входов. Мультиплексоры широко используются для синтеза комбинационных устройств, так как это способствует значительному уменьшению числа используемых микросхем.

Демултиплексоры - это узлы, преобразующие информацию из последовательной формы в параллельную. Информационный вход D подключается к одному из выходов Qi определяемый адресными сигналами A0 и A1.



Сумматор - это узел, в котором выполняется арифметическая операция суммирования цифровых кодов двух двоичных чисел.

Используя одноразрядные сумматоры можно построить многоразрядные сумматоры.

Широкое применение находят законы, названные именем американского логика А. де Моргана и позволяющие переходить от утверждений с союзом «и» к утверждениям с союзом «или», и наоборот:

~ (A & B) -> (~ A v ~ В),

если неверно, что есть и первое, и второе, то неверно, что есть первое, или неверно, что есть второе;

( ~ A v ~ В) -> ~ (А & В),

если неверно, что есть первое, или неверно, что есть второе, то неверно, что есть первое и второе. Используя эти законы, от высказывания «Неверно, что изучение логики и трудно, и бесполезно» можно перейти к высказыванию «Изучение логики не является трудным, или же оно не бесполезно». Объединение этих двух законов даёт закон (<-> -- эквивалентность, «если и только если»):

~(A & B) <-> (~ A v ~ B).

Словами обычного языка этот закон можно выразить так: отрицание конъюнкции эквивалентно дизъюнкции отрицаний. Например: «Неверно, что завтра будет холодно и завтра будет дождливо, тогда и только тогда, когда завтра не будет холодно или завтра не будет дождливо».

Ещё один закон де Моргана утверждает, что отрицание дизъюнкции эквивалентно конъюнкции отрицаний:

~ (A v В) <-> ( ~ А & ~ В),

неверно, что есть первое или есть второе, если и только если неверно, что есть первое, и неверно, что есть второе. Например: «Неверно, что ученик знает арифметику или знает геометрию, тогда и только тогда, когда он не знает ни арифметики, ни геометрии». На основе законов де Моргана связку «и» можно определить, используя отрицание, через «или», и наоборот:

-- «А и B » означает «неверно, что не-A или не-B »,

-- «А или В » означает «неверно, что не-А и не--В ».

К примеру: «Идёт дождь и идёт снег» означает «Неверно, что нет дождя или нет снега»» «Сегодня холодно или сыро» означает «Неверно, что сегодня не холодно и не сыро».

Задания:

1) Построить схему по заданной логической функции.

2) Преобразовать выражение согласно варианту (таблица 1) в базисы 2И-НЕ с помощью законов Де-Моргана и построить схему для полученной логической функции.

3) Нарисовать заданное устройство согласно варианту (таблица 2), построить временные диаграммы работы данного устройства.

Таблица 1

Вариант	f(x1, x2, x3, x4)
1	x1 x2 x1 x3
2	x1 x3 x2 x3
3	x1 x3 x2 x4
4	x2 x3 x1 x2
5	x1 x2 x3 x4
6	x1 x2 x2 x3
7	x1 x4 x2 x4
8	x2 x3 x2 x4
9	x1 x4 x2 x3
10	x1 x3 x1 x2
11	x3 x4 x2 x3
12	x1 x2 x1 x4
13	x1 x2 x2 x4
14	x1 x3 x2 x4
15	x1 x3 x1 x4



Таблица 2

Вариант	Устройство
1	Дешифратор 3:8
2	Шифратор 8:3
3	Мультиплексор 8:1
4	Демультиплексор 1:8
5	RS-триггер
6	JK-триггер
7	D-триггер
8	T-триггер
9	Полусумматор
10	Мультиплексор 4:1
11	Демультиплексор 1:4
12	Сумматор (3 разряда)
13	Дешифратор 2:4
14	Шифратор 4:2
15	Одноразрядный сумматор

Контрольные вопросы:

1. Опишите принцип построения и функционирования триггера.

2. Что такое регистр?

3. Какие операции выполняют регистры?

4. Что собой представляют счетчики?

5. Назовите типы счетчиков и их возможные применения.

6. Опишите основные законы Де-Моргана.

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе.

Практическая работа № 6

Тема: Работа и особенности логических элементов

Цель работы: освоить работу логических элементов.

Теоретический материал:

Логический элемент компьютера -- это часть электронной логичеcкой схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И--НЕ, ИЛИ--НЕ и другие (называемые также вентилями), а также триггер.

С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает от двух до восьми входов и один или два выхода.

Чтобы представить два логических состояния -- “1” и “0” в вентилях, соответствующие им входные и выходные сигналы имеют один из двух установленных уровней напряжения. Например, +5 вольт и 0 вольт.

Высокий уровень обычно соответствует значению “истина” (“1”), а низкий -- значению “ложь” (“0”).

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем.

Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Таблица истинности это табличное представление логической схемы (операции), в котором перечислены все возможные сочетания значений истинности входных сигналов (операндов) вместе со значением истинности выходного сигнала (результата операции) для каждого из этих сочетаний.

Леонард Эйлер при решении задач изображал множества с помощью кругов, и в его честь этот метод был назван "методом кругов Эйлера". Однако такой прием очень полезен и при решении логических задач, когда с помощью кругов изображаются высказывания. Стоит отметить, что этим методом математики пользовались и до Эйлера. Так, в трудах Лейбница были обнаружены изображения таких кругов. Но, как уже говорилось, достаточно основательно этот метод был развит Эйлером. После Эйлера метод получил развитие в работах других ученых, однако наибольшего расцвета графические методы достигли в сочинениях английского логика Джона Венна, подробно изложившего их в книге "Символическая логика". Поэтому такие схемы называют "диаграммами Эйлера-Венна".

Любое высказывание на диаграмме изображается кругом, а его отрицание - частью плоскости, находящейся вне круга.

Рисунок 1 Диаграмма Эйлера -Венна

Если у нас есть два высказывания X и Y, то их на диаграмме изображают двумя кругами, как правило, разного цвета.

Рисунок 2 - Логическое умножение двух высказываний X и Y

Ярким желтым цветом на диаграмме закрашено логическое умножение (конъюнкция) двух высказываний, а их логическое сложение (дизъюнкция) изображено на следующем рисунке. Другими словами логическое умножение это пересечение кругов, а логическое сложение изображается как объединение кругов.



Рисунок 3 - Логическое сложение двух высказываний X и Y

С помощью диаграмм Эйлера-Венна можно доказать, что следующим образом.

В соответствии с приоритетом логических операций, сначала требуется выполнить A Л B (1 шаг), затем (2 шаг), (3 шаг) и, наконец, выполнить сложение высказываний, полученных на шагах 1 и 3 (4 шаг).

Шаг 1	Шаг 2	Шаг 3	Шаг 4

Рисунок 4 - Доказательство на диаграммах Эйлера-Венна

На рисунке 4 (2 шаг) заштриховано высказывание , результат изображен голубым цветом с белой штриховкой (3 шаг). Из последнего рисунка (4 шаг) непосредственно видно, что .

Задания:

1. Изобразить выражения согласно варианту (таблица 1) на диаграммах Эйлера.

2. Описать логическим выражением диаграмму Эйлера согласно варианту (таблица 2).

3. Построить временные диаграммы работы элементов И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ. Записать таблицы истинности.

Таблица 1



Таблица 2

Вариант	Выражения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Контрольные вопросы:

1. Что такое диаграмма Эйлера?

2. Перечислите двоичные логические операции с цифровыми сигналами (битовые операции).

3. Где применяются логические элементы?

4. Какая система простых логических функций называется функционально полной?

5. Чем задают функционирование логического элемента?

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе.

Практическая работа № 7

Построение последовательности машинных операций для реализации простых вычислений

Цель работы: знакомство с интерфейсом модели ЭВМ, методами ввода и отладки программы, действиями основных классов команд и способов адресации.

Теоретический материал:

Для решения с помощью ЭВМ некоторой задачи должна быть разработана программа. Программа на языке ЭВМ представляет собой последовательность команд. Код каждой команды определяет выполняемую операцию, тип адресации и адрес. Выполнение программы, записанной в памяти ЭВМ, осуществляется последовательно по командам в порядке возрастания адресов команд или в порядке, определяемом командами передачи управления.

Для того чтобы получить результат выполнения программы, пользователь должен:

? ввести программу в память ЭВМ;

? определить, если это необходимо, содержимое ячеек ОЗУ и РОН, содержащих исходные данные, а также регистров IR и BR;

? установить в PC стартовый адрес программы;

? перевести модель в режим Работа.

Каждое из этих действий выполняется посредством интерфейса модели.

Ввод программы может осуществляться как в машинных кодах непосредственно в память модели, так и в мнемокодах в окно Текст программы с последующим ассемблированием.

Цель практической работы -- знакомство с интерфейсом модели ЭВМ, методами ввода и отладки программы, действиями основных классов команд и способов адресации. Для этого необходимо ввести в память ЭВМ и выполнить в режиме Шаг некоторую последовательность команд (определенную вариантом задания) и зафиксировать все изменения на уровне программно-доступных объектов ЭВМ, происходящие при выполнении этих команд.

Команды в память учебной ЭВМ вводятся в виде шестиразрядных десятичных чисел.

В практической работе будем программировать ЭВМ в машинных кодах.

Пример 1

Дана последовательность мнемокодов, которую необходимо преобразовать в машинные коды, занести в ОЗУ ЭВМ, выполнить в режиме Шаг и зафиксировать изменение состояний программно-доступных объектов ЭВМ (табл. 1)

Таблица 1. Команды и коды

Последовательность	Значения
Команды	RD#20	WR30	ADD #5	WR@30	JNZ 002
Коды	21 1 020	220 030	231 005	22 2 030	12 0002

Введем полученные коды последовательно в ячейки ОЗУ, начиная с адреса 000. Выполняя команды в режиме Шаг, будем фиксировать изменения программно-доступных объектов (в данном случае это Асе, PC и ячейки ОЗУ 020 и 030) в табл. 2.



Таблица 2. Содержимое регистров

PC	Асе	М(30)	М(20)	PC	Асе	М(30)	М(20)

Задание 1

1. Ознакомиться с архитектурой ЭВМ .

2. Записать в ОЗУ "программу", состоящую из пяти команд-- варианты задания выбрать из табл. 3. Команды разместить в последовательных ячейках памяти.

3. При необходимости установить начальное значение в устройство ввода IR.

4. Определить те программно-доступные объекты ЭВМ, которые будут изменяться при выполнении этих команд.

5. Выполнить в режиме Шаг введенную последовательность команд, фиксируя изменения значений объектов, определенных в п. 4, в таблице (см. форму табл. 2).

6. Если в программе образуется цикл, необходимо просмотреть не более двух повторений каждой команды, входящей в тело цикла.

Таблица 3. Варианты задания 1

№	IR	Команда 1	Команда 2	Команда 3	Команда 4	Команда 5
1.		IN	MUL #2	WR10	WR010	JNS 001
2.	X	RD #17	SUB #9	WR16	WR016	JNS 001
3.		IN	ADD #16	WR8	WR08	JS001
4.	X	RD #2	MUL #6	WR 11	WR 011	JNZ 00
5.		IN	WR8	DIV #4	WR 08	JMP 002
6.	X	RD #4	WR 11	RD 011	ADD #330	JS000
7.		IN	WR9	RD @9	SUB#1	JS001
8.	X	RD 4	SUB #8	WR8	WR @8	JNZ 001
9.		IN	ADD #12	WR 10	WR @10	JS004
10.	X	RD 4	ADD #15	WR 13	WR @13	JMP 001
11.		IN	SUB #308	WR11	WR @11	JMP 001
12.	X	RD#988	ADD #19	WR9	WR @9	JNZ 001
13.		IN	WR11	ADD 11	WR @11	JMP 002
14.	X	RD #5	MUL #9	WR10	WR @10	JNZ 001

Контрольные вопросы

1. Из каких основных частей состоит ЭВМ и какие из них представлены в модели?

2. Что такое система команд ЭВМ?

3. Какие классы команд представлены в модели?

4. Какие действия выполняют команды передачи управления?

5. Какие способы адресации использованы в модели ЭВМ? В чем отличие между ними?

6. Какие ограничения накладываются на способ представления данных в модели ЭВМ?

7. Какие режимы работы предусмотрены в модели и в чем отличие между ними?

8. Как записать программу в машинных кодах в память модели ЭВМ?

9. Как просмотреть содержимое регистров процессора и изменить содержимое некоторых регистров?

10. Как просмотреть и, при необходимости, отредактировать содержимое ячейки памяти?

11. Как запустить выполнение программы в режиме приостановки работы после выполнения каждой команды?

12. Какие способы адресации операндов применяются в командах ЭВМ?

13. Какие команды относятся к классу передачи управления?

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе.



Практическая работа № 8

Построение общей структуры ПК с подсоединенными периферийными устройствами

Цель работы: исследовать структурную схему компьютера; спроектировать алгоритм изучения структуры персонального компьютера; научиться самостоятельно различать схемы ПК; осознать межличностные отношения между студентами и преподавателем; осмыслить результаты практической деятельности и системы способностей.

Задания:

Изучение схемы ПК по его схеме и поиск устройств на ПК (данное задание повторить на четырех ПК).

Вскрыть корпус

Рассмотреть конструктивные особенности предложенного ПК

Начертить схему ПК

Записать модели основных устройств

Ответить на вопросы преподавателя

Данные занесите в тетрадь.

Контрольные вопросы:

1. Принципы фон Неймана

2. Роль центрального процессора

3. Запоминающ

4. ие устройства ЭВМ. Определение понятия «память». Основная память.

5. Что общего и в чем различие между понятиями «внутреннее устройство ЭВМ» "Архитектура ЭВМ»? - Что такое семейство ЭВМ? Приведите примеры.

6. Объясните, в чем состоит принцип программной совместимости. Что такое совместимость снизу вверх (поясните на примере одного из известных вам семейств)?

7. Имеют ли отношение к понятию «архитектура» следующие факты:

а) в компьютере применяются микросхемы динамического (или статического) ОЗУ?

б) компьютер имеет расширенную память?

в) компьютер имеет (не имеет) общую шину, по которой передается информация между его устройствами?

г) в процессоре INTEL 80386 к системе команд добавлено по сравнению с INTEL 80286 несколько новых?

д) объем памяти новой модели ЭВМ увеличен вдвое?

8. Перечислите основные принципы фон-неймановской архитектуры и разъясните содержание.

9. Чем обусловлено в ЭВМ широкое применение двоичной системы?

10. Можно ли, посмотрев на содержимое отдельно взятой ячейки памяти, определить. какая информация в ней записана: число, команда, символы?

11. Из каких основных узлов состоит ЭВМ?

12. Что такое счетчик команд и какую роль он играет?

13. Что такое магистраль (шина)?

14. Какие преимущества имеет магистральная структура ЭВМ?

15. Что представляет собой контроллер внешнего устройства и какую роль он играет в процессе обмена информацией?

16. Какую роль играет в компьютере видеопамять?

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе.



Практическая работа № 9

Параллельные и последовательные порты

Цель работы: изучить особенности работы параллельных и последовательных портов

Теоретический материал:

Порт (персонального) компьютера предназначен для обмена информацией между устройствами, подключенными к шине внутри компьютера и внешним устройством.

Для связи с периферийными устройствами к шине компьютера подключены одна или несколько микросхем контроллера ввода-вывода.

Последовательный порт стандарта RS-232-C. Является стандартом для соединения ЭВМ с различными последовательными внешними устройствами. В операционных системах каждому порту RS-232 присваивается логическое имя COM1-COM4.

Параллельный порт используется для одновременной передачи 8 битов информации. В компьютерах этот порт используется главным образом для подключения принтера, графопостроителей и других устройств. Параллельные порты обозначаются LPT1-LPT4.

Интерфейс USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина призвана заменить устаревшие последовательный (COM-порт) и параллельный (LTP-порт) порты. Шина USB допускает подключение новых устройств без выключения компьютера. Шина сама определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего выделяет их без вмешательства пользователя. Шина USB позволяет подключить до 127 устройств.

IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 - стандарт Института инженеров по электротехнике и электронику 1394) - последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонентов и внешних устройств. Цифровой последовательный интерфейс IEEE 1394 характеризуется высокой надежностью и качеством передачи данных, его протокол поддерживает гарантированную передачу критичной по времени информации, обеспечивая прохождение видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. При помощи шины IEEE 1394 можно подключить до 63 устройств и практически в любой конфигурации, чем она выгодно отличается от трудноконфигурируемых шин SCSI. Этот интерфейс используется для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как видеокамеры, видеомагнитофоны и т.д.

Задания:

1. Найти рисунок разъёмов системной платы. Указать название разъёмов и для каких устройств они применяются. Найти теоретические сведения по этим разъёмам.

2. Определить внешние интерфейсы рабочего компьютера. Подключить к рабочему компьютеру принтер, монитор, сканер, мышь, клавиатуру, колонки.

Наружные разъёмы материнской платы: PS/2 (1 - мышь, 2 - клавиатура), сетевой RJ-45 (3), USB (4), D-subminiature (9-контактный разъём COM-порта) (5), LPT порт (6), VGA порт (7), MIDI) (8) и 3.5 мм аудио входы-выходы (разъём TRS) (9)

3. Описать все порты (разъемы) рабочего компьютера.

Пример:

1, 2. PS/2 -- компьютерный порт (разъём), применяемый для подключения клавиатуры и мыши. Впервые появился в 1987 году на компьютерах IBM PS/2 и впоследствии получил признание других производителей и широкое распространение в персональных компьютерах и серверах. Скорость передачи данных -- от 80 до 300 Кб/с и зависит от производительности подключенного устройства и программного драйвера.

Контрольные вопросы:

1. Какие типы внешних интерфейсов вы знаете?

2. Дайте сравнительную характеристику интерфейсов USB и IEEE 1384 (FireWire).

3. Что такое параллельный порт, для чего используется?

4. Как установить соединение двух компьютеров через параллельные порты?

5. Перечислите режимы работы параллельного порта.

6. С какой целью используют последовательный порт?

7. Укажите разновидности последовательного порта.

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе

Практическая работа № 10

Архитектура системной платы

Цель работы: ознакомление с составом системной платы, принципами ее работы.

Теоретический материал:

Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - электронных плат. На основной плате компьютера - системной, или материнской плате - обычно располагаются:

· основной микропроцессор;

· Chipset - основной набор микросхем, которые определяют логику взаимодействия различных функциональных устройств, архитектуру материнской платы и системой шины, тип памяти (ОЗУ и кэш), тактовые частоты;

· BIOS - базовая система ввода-вывода, сейчас реализована на основе флэш-памяти, в которой записаны низкоуровневые подпрограммы обслуживания устройств;

· оперативная память - служит для временного хранения программ и данных;

· кэш-память - служит для ускорения обмена данными между процессором и ОЗУ;

· контроллер клавиатуры - ввод данных и команд в компьютер;

· дополнительные контроллеры и адаптеры (E-IDE, SVGA, FDD, SCSI, Ethernet);

· разъемы расширения - для подключения контроллеров и адаптеров внешних устройств (различают 8-ми, 16-ти и 32-хразрядные разъемы);

· системная шина - передача управляющих сигналов, данных, адресация памяти.

Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), часто находятся на отдельных платах, вставляющихся в разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной шине компьютера. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптер монитора на новый), надо просто вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую.

Задания:

1. рассмотреть представленную материнскую плату и указать основные компоненты, а также их назначение.



Пример:

Системная плата - печатная плата, соединяющая все узлы компьютера в одно устройство. Кроме термина "системная плата", используется название "материнская плата".

Основные компоненты системной платы:

1) разъем для подключения микропроцессора; Процессор - основная часть ЭВМ, обеспечивающая выполнение процедур обработки данных и взаимодействие всех устройств ЭВМ и т.д.

2. С помощью программы WinMSD (WinCheckit, SysInfo) осуществить:

· определение типа основного микропроцессора;

· определение тактовой частоты микропроцессора;

· определение типа BIOS (базовой системы ввода-вывода);

· определение количества подключенных дисковых устройств (физических и логических);

· определение размера ОЗУ и кэш-памяти;

· определение параметров контроллера клавиатуры;

· определение наличия дополнительных контроллеров и адаптеров (E-IDE, SCSI, SVGA, ETHERNET, MODEM, PCI, и т.д.);

· определение типа системной и локальной шины и их характеристики.

3. Заполните отчетные таблицы: Изучение материнской платы марки ___________________ (рабочего ПК)

4. С помощью графических возможностей редактора MS Word в отчете создать рисунок поясняющий работу системной платы компьютера:



Контрольные вопросы:

1. Перечислите элементы, располагающиеся на системной плате.

2. Укажите стандартные частоты генератора

3. Перечислите частоты процессора.

4. Что подключают к локальной шине процессора?

5. Перечислите функции чипсета?

6. Опишите форм-факторы системных плат.

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе

Практическая работа № 11

Внутренние интерфейсы системной платы

Цель работы: изучить внутренние интерфейсы системной платы, научиться их определять.

Теоретический материал:

Интерфейс - это совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе обычно предусмотрены вопросы сопряжения на механическом (число проводов, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т.п.) и логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия) уровнях.

Внутренний интерфейс - это система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой. Представляет собой совокупность электрических линий связи, схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

В современных компьютерах в качестве системного интерфейса обычно используется системная шина.

Шина (bus) - это совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной или системной шиной понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой.

Разрядность или ширина шины (bus width) - количество линий связи в шине, т.е. количество битов, которое может быть передано по шине одновременно.

Тактовая частота шины (bus frequency) - частота с которой передаются последовательные биты информации по линиям связи.

В качестве системной шины в ПК могут использоваться шины расширений и локальные шины.

Шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое количество самых разнообразных устройств.

Локальные шины специализируются на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Шины расширений



Шина расширения ISA (Industry Standard Architecture) - основная шина на устаревших материнских платах. Служит для подключения витдеокарт, модемов, звуковых карт и т.д. Конструктивно представляет собой разъем состоящий из двух частей - 62-контактного и примыкающего к нему 36-контактного сегментов. Допускает подключение до 6 устройств. Пропускная способность шины до 16 Мбайт/с. Рабочая частота до 8 МГц. Представлена в двух версиях PC/XT и PC/AT.

Шина PC/XT - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, имеет 4 линии аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память. Шина адреса ограничивает адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Тактовая частота 4,77 МГц.

Шина PC/AT - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса. Имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала прямого доступа в память. Тактовая частота до 16 МГц. Адресное пространство шины до 16 Мбайт.

Шина ЕISA (Extended Industry Standard Architecture) - 32-разрядная адресная шина данных и 32-разрядная шина адреса. Адресное пространство шины 4 Гбайт. Тактовая частота 8-33 МГц. Пропускная способность 33 Мбайт/с. Теоретически может подключаться до 15 устройств. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру. Шина весьма дорога и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Внешне слоты шины имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA , но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов ЕISA, а платы ЕISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов.

Шина MCA (MicroChannel Architecture) - микроканальная архитектура - была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50 в 1987 году. Обеспечивает быстрый обмен данными между отдельными устройствами, в частности с оперативной памятью. Шина MCA абсолютно несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами. Состав управляющих сигналов, протокол и архитектура ориентированы на асинхронное функционирование шины и процессора, что снимает проблемы согласования скоростей процессора и периферийных устройств. Адаптеры MCA широко используют Bus-Mastering, все запросы идут через устройство CACP (Central Arbitration Control Point). Архитектура позволяет эффективно и автоматически конфигурировать все устройства программным путем (в MCA PS/2 нет ни одного переключателя). При всей прогрессивности архитектуры (относительно ISA) шина MCA не пользуется популярностью из-за узости круга производителей MCA-устройств и полной их несовместимости с массовыми ISA-системами. Однако MCA еще находит применение в мощных файл-серверах, где требуется обеспечение высоконадежного производительного ввода-вывода.

Локальные шины.

В настоящее время существует три основных стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI, AGP.

Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) является расширением внутренней шины микропроцессора для связи с видеоадаптером или жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных 32 бита, для адреса 30 бит.

Шина не адаптирована для процессоров класса Pentium. Имеется жесткая зависимость от тактовой частоты процессора. Шина позволяет только 4 устройства, при этом отсутствует арбитраж шины, т.е. могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонентов) - с помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и др. устройства. Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта (каждая со своим ключом). Разрядность шины - 32 разряда данных и 32 разряда адреса с возможностью расширения до 64 бит. Тактовая частота шины 33 МГц. Допускает подключение до 10 устройств. При наличии шины PCI шины расширения подключаются не непосредственно к микропроцессору, а к самой шине PCI. Благодаря такому решению шина является независимой от процессора и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней с запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали, имеющей выход непосредственно на системную память. Шина может работать с частотой до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексность линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

К шинам подключаются электронные платы (контроллеры). Каждый контроллер может быть подключен только к той шине на которую он рассчитан. Поэтому разъемы разных шин сделаны разными.

Задания:

1. Идентифицируйте внутренние интерфейсы системной платы.

2. Дайте сравнительную характеристику внутренних интерфейсов целевой системной платы.

3. В рабочей тетради заполните таблицу следующего содержания:

Таблица основных характеристик внутренних интерфейсов

Стандарт	Типичное применение	Пиковая пропускная способность	Примечания
ISA
EISA
LPC
PCI
PCI-X
PCI Express
AGP
AGP PRO
HT (Гипер-Транспорт)

4. В рабочей тетради представьте графическое изображение (осуществив поиск в сети Интернет) следующих шин: локальная шина VESA, шина PCI, шина МСА.

5. В рабочей тетради дайте ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Укажите классификацию интерфейсов в соответствии с функциональным назначением

2. Что такое шина?

3. Типы линий в минимальной конфигурации имеет шина?

4. Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus) физически разделена …

5. Что подразумевает принцип «точка-точка», в соответствии с которым устройства, связываются по шине HyperTransport?

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе

Практическая работа № 12

Системные ресурсы

Цель работы: определить системные ресурсы ЭВМ, прочитав значение переменной BIOS по соответствующему адресу или прочитав нужный регистр так называемой CMOS-памяти

Теоретический материал:

Устройство системных ресурсов:

Большинство адаптеров ПК, выполненных в виде отдельных плат, используют как минимум один из следующих системных ресурсов:

-- Порты ввода/вывода;

-- верхние блоки памяти UMB;

-- линии запросов прерываний IRQ;

-- каналы прямого доступа к памяти DMA.

Неправильное совместное использование этих ресурсов ведет к конфликтам, которые могут быть устранены грамотной настройкой аппаратных средств системы.

Порты ввода-вывода:

Схемотехника PC-совместимых ПК позволяет определить до 65536 портов ввода/вывода. Большинство из них, как правило, не используется. Каждому из них присвоен свой шестнадцатеричный номер (адрес порта). Первое, что необходимо знать, это диапазон адресов портов ввода/вывода с шиной ISA: от 0 до 3FFh включительно. Сюда входят порты контроллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров, последовательных и параллельных интерфейсов и т.д.

Есть специальный диапазон адресов портов, предназначенных для плат прототипов, которые могут быть разработаны независимыми производителями (это 300h -- 31Fh).

Система прерываний:

В ПК имеется довольно развитая система прерываний. В PC/XT использовалась микросхема i8259 в качестве контроллера прерываний, которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQ0-IRQ7). Поскольку процессор реагирует на со бытия последовательно, то контроллер устанавливает для каждого из своих входов приоритет (наивысший IRQ_0). В современных PC/AT количество линий прерываний увеличено до 15, которые реализуются каскадным включением двух i8259 (к IRQ2 подключен второй контроллер).

Чтобы грамотно разделить этот системный ресурс надо, чтобы каждая линия прерывания обслуживала только одно устройство. Любая плата адаптера, контроллера (например, стример) позволяет изменять номера прерываний: разрешать, запрещать, назначать. Обычно это выполняется с помощью перемычек, переключателей или программно. Для того, чтобы узнать какие номера прерываний (и какими устройствами) используются в данной момент в ПК, можно воспользоваться программой Checkit (либо активизировать меню «Система»). У PC/AT обычно свободно четыре линии запроса прерываний IRQ10, 11, 12 и 15 (13 и 14 используются сопроцессором и винчестером).

Прямой доступ к памяти:

В случае передачи данных в режиме ПДП (DMA), периферийное устройство связано с памятью непосредственно, минуя ЦП. Такой режим используется для ускорения передачи данных, если передаются большие объемы. В PC/AT имеется 8 каналов ПДП, часто функции контроллеров ПДП выполняют контроллеры периферийных устройств. Канал О ПДП используется для регенерации ОЗУ, 1 и 2 (или 2 и 3) используются для передачи данных между гибким диском и винчестером и ОЗУ.

Рекомендации по использованию каналов ПДП такие же, как и линий прерываний IRQ. Необходимо учитывать, что бывают исключения -- одному устройству требуется два канала ПДП (например платы сбора данных).

Распределение памяти:

Обычно базовая емкость ОЗУ -- 1MB, но DOS может обращаться только к 640 KB, поэтому эту память называют стандартной. Вся базовая память может быть разбита на 16 областей по 64 KB каждая, их называют страницами и они могут быть пронумерованы от 0 до F: 0,1, 9, A,B,...F. Тогда стандартная память занимает от 0 до 9. Следующие 384 KB зарезервированы для системного использования и называются верхними блоками памяти (UMB, Upper Memory Blocks). Эта область памяти резервируется под:

-- Видеопамять;

-- модули ROM BIOS;

-- ROM VGA/SVGA, HD BIOS.

Существует область памяти, называемая областью верхней памяти НМА (High Memory Area) ,расположенная за 1 MB (за системным ROM BIOS) и имеющая размер 64 KB (без 16 байт), которая доступна в реальном режиме работы процессоров начиная с 286 и образовалась она в результате не совсем корректно спроектированной эмуляции процессора 8088 при отмене циклического перехода от старших адресов к младшим. Оставшаяся память носит название расширенной памяти (ЕМА).

Задания:

1. Составить таблицу в рабочей тетради следующего содержания:

Номер прерывания	Устройство	Примечание
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

2. Определить устройство ПК, вызывающие конфликт ресурсов, используя Диспетчер устройств.

3. В рабочей тетради составить таблицу «Распределение адресов портов ввода-вывода» следующего вида:

Диапазон адресов	Использование
АТ	ХТ

4. Определить тип используемой ПЭВМ, прочитав байт оперативной памяти по адресу FE00:1FFE. Затем, используя CMOS-память, указать текущее время в час и мин.

5. Определить и указать дату изготовления версии BIOS, записанную по адресу F000:FFF5. Затем, используя CMOS-память, указать текущую дату (число, месяц, год)

6. Определить объём оперативной памяти, прочитав его по адресу 0:0413. Затем, используя CMOS-память, определить текущее столетие.

7. Определить монохромен ли активный видеоадаптер, используя переменную BIOS по адресу 0:0410. Затем, используя CMOS-память, определить тип накопителя на гибких магнитных дисках.

8. Используя переменную BIOS по адресу 0:0410, определить наличие НГМД. Затем, используя CMOS-память, указать наличие сопроцессора.

9. 6. Используя переменную BIOS по адресу 0:0410, определить активный видеоадаптер. Затем, используя CMOS-память, определить наличие НГМД и их количество.

10. Используя переменную BIOS по адресу 0:0410, определить число дисководов. Затем, используя CMOS-память, определить тип дисплея.

11. Используя переменную BIOS по адресу 0:0410, определить число установленных принтеров. Затем, используя CMOS- память, определить объём памяти в килобайтах на системной плате.

12. Используя переменную BIOS по адресу 0:0410, определить наличие игрового адаптера. Затем, используя CMOS-память, определить объём общей памяти в килобайтах.

Контрольные вопросы:

1. Что такое прерывания и как их можно классифицировать?

2. Какие операции выполняет системная BIOS во время загрузки?

3. Как заполняется индикатор ресурсов?

4. Для чего предназначены указатели в таблице векторов?

5. Что из себя представляет обращения к регистрам PnP?

Задание на дом.

Выполнить отчет по практический работе

Практическая работа № 13

Интерфейсы периферийных устройств

Цель работы: изучить интерфейсы периферийных устройств ЭВМ.

Теоретический материал:

Интерфейс (англ. interface) -- это совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Все множество интерфейсов для периферийных устройств можно разбить на 5 групп: интерфейсы для подключения накопителей информации; универсальные интерфейсы; интерфейсы для подключения видеоадаптеров; интерфейсы для ноутбуков; интерфейсы для мониторов

1) Среди интерфейсов для накопителей информации можно выделить ATA, IDE, SATA, SCSI, SAS.

ATA (англ. Advanced Technology Attachment -- присоединение по передовой технологии) -- параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем -- SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA).

Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой Western Digitalи по маркетинговым соображениям получила название IDE (англ.IntegratedDriveElectronics-- «электроника, встроенная в привод»). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандартеST-506 и существовавших тогда интерфейсахSCSIиST-412. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер каналаIDEабстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство (контроллер привода мог быть рассчитан только на «свой» привод, а не на все возможные; контроллер канала же вообще становился стандартным

В стандарте АТА определён интерфейс между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Интерфейс имеет 8 регистров, занимающих 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (masterиslave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.

SATA (англ. SerialATA) -- последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA(IDE), который после появления SATA был переименован в PATA(Parallel ATA).

Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA(UDMA/133).

Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземлёнными проводниками. В дальнейшем были выпущены новые стандарты SATA-SATARevision2.x(до 3 Гбит/с) и SATA Revision 3.x (до 6 Гбит/с), совместимые сSATA1.x (в меньшую сторону).

SCSI (англ. Small Computer System Interface) - интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д. Раньше имел неофициальное название Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта. Теоретически возможен выпуск устройства любого типа на шине SCSI.

После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах AppleMacintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью и применяется преимущественно в серверах.

SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (однако, в серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). В настоящее время устройства на шине SAS постепенно вытесняют устаревшую шину SCSI.

Serial Attached SCSI (SAS) -- компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т. д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями (англ. Direct Attached Storage (DAS) devices). SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI. Протокол SAS разработан и поддерживается комитетом T10. Текущую рабочую версию спецификации SAS можно скачать с его сайта. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 3 Гбит/с; ожидается, что к 2010 году скорость передачи достигнет 10 Гбит/с. Благодаря уменьшенному разъему SAS обеспечивает полное двухпортовое подключение как для 3,5-дюймовых, так и для 2,5-дюймовых дисковых накопителей (раньше эта функция была доступна только для 3,5-дюймовых дисковых накопителей с интерфейсом Fibre Channel).

2) Универсальные интерфейсы.

IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal, LPT) -- международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.

В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).

В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Название «LPT» образовано от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (Line Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS.

USB (англ. Universal Serial Bus-- «универсальная последовательная шина») -- последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник, квадрат.

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB ImplementersForum(USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода -- для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

В настоящее время наиболее широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB2.0. Уже появились первые устройства с поддержкой интерфейсаUSB3.0, обеспечивающего теоретическую пропускную способность 480 Мбит/с.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) -- последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Разъем FireWire 6-pin

Различные компании продвигают стандарт под своими торговыми марками:

Apple -- FireWire

Sony -- i.LINK

Yamaha -- mLAN

TI -- Lynx

Creative -- SB1394

Интерфейс широко используется для подключения внешних дисковых устройств, для создания сети поверх 1394 и для подключения Mini-DVвидеокамер.

3) Интерфейсы для подключения видеоадаптеров прошли путь от шина ISAдоPCI-Express2.0.

ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus) -- 8- или 16-разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. Впервые шина ISAпоявилась на компьютерахIBMPC/XTв 1981 году. Это была 8-разрядная шина с частотой до 8 МГц и скоростью передачи данных до 4 МБайт/с (передача каждого байта требовала минимум двух тактов шины). С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах.

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно -- взаимосвязь периферийных компонентов) -- шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);

электрические параметры (например, напряжения);

логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине).

Шина PCIпришла на сменуISA.

AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) -- разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Появилась одновременно с чипсетами для процессора Intel Pentium MMX чипсет MVP3, MVP5 c Super Socket 7. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти. По замыслу Intel, бомльшие объёмы видеопамяти для AGP-карт были бы не нужны, поскольку технология предусматривала высокоскоростной доступ к общей памяти.

Основными отличиями AGPотPCI являются: работа на тактовой частоте 66 МГц; увеличенная пропускная способность; режим работы с памятью DMA и DME; разделение запросов на операцию и передачу данных; ...