ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Тема: Исследование системы ввода-вывода информации на базе ПК

Цели работы:

-       закрепление знаний о внешних интерфейсах, основных характеристиках системы ввода-вывода, о принципах работы параллельной и последовательной передачи данных;

-       формирование умений различать внешний вид интерфейсных разъемов системы ввода-вывода.

Время выполнения:   4 часа

Перечень оборудования, используемого при выполнении работы:

         системная плата форм-фактора АТХ       1 шт.

         системная плата форм-фактора АТ          1 шт.

Основные теоретические положения

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на системной плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК.

Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Шина имеет места для подключения внешних устройств – слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины ПК разделяются по своему функциональному назначению:

- системную шину (шина процессора);

- шину КЭШ – памяти;

- шины ввода – вывода, они в свою очередь делятся на:

-локальную шину ввода – вывода (Шина AGP), высокоскоростная шина;

- стандартная шина ввода – вывода (Шина ISA) сейчас это шина – USB.

Шина AGP -  разработана фирмой Intel для повышения работы с видео и графикой.

Шина PCI – шина для взаимосвязи периферийных компонентов с процессором.

ISA являлась основной шиной на системных платах (СП) устаревших ПК типа PC AT. На новых СП этот интерфейс шины либо отсутствует, либо представлен 1-2 слотами расширения для совместимости с устаревшими компонентами. Пропускная способность не превышает 5,55 Мбайт/с. Через интерфейс ISA раньше подключались:  видеокарта;  контроллеры НЖМД  и НГМД; контроллеры ввода-вывода; звуковые карты и др.

USB – универсальная последовательная шина. Служит для подключения различных внешних устройств вне корпуса ПК. Предусматривает присоединение до 127 внешних устройств к одному USB- каналу. На современных СП обычно имеется 2-4 канала на контроллер. Пропускная способность ~480Мбит/с.

IDE/ATA – интерфейс шины предназначен для обеспечения работы НЖМД и других накопителей. Он выполняется встроенным на СП и поддерживает два разъема IDE (Primary  - первичный и Secondary – вторичный), к каждому из которых можно подключать по два устройства (Master  и  Slave – ведущий и ведомый). В настоящее время интерфейс заменяется интерфейсом Serial ATA.

На сегодня рассмотренный выше стандарт вытесняет интерфейс Serial ATA, главное его отличие – последовательный способ  обмена данными. Данные передаются по 8-ми жильному кабелю. Пропускная способность – 187 Мбайт/с. Таким образом, пропускная способность внешнего интерфейса будет соответствовать скорости внутренней передачи данных жестких дисков.

Предусмотрено автоматическое конфигурирование компонентов (к одному кабелю можно подключить несколько устройств), подключаемых к Serial ATA: жестких дисков, CD-ROM/RW и DVD/CD приводов, накопителей со съемными носителями и других внутренних устройств. Еще одним достоинством интерфейса Serial ATA является то, что из СБ исчезнут шлейфы, сильно затрудняющие доступ к компонентам и мешавшие циркуляции охлаждающего воздуха.

PSI – соединение внешних компонентов. Он не совместим с ISA. Имеет тактовую частоту до 100 МГц и пропускную способность 264 Мбайт/с  для 32-разрадных; 528 Мбайт для 64-разрядных данных на частоте 66 МГЦ. Интерфейс обеспечивает поддержку режима автоматической конфигурации компонентов при установке. Plug – and – Play.

В современных СП тактовая частота шины задается как половина тактовой частоты системной шины. Стала стандартом среди шин ввода-вывода.

До недавнего времени PSI являлся самым распространенным и универсальным интерфейсом. С его помощью к СП подключались самые разные компоненты: звуковые, видео и прочие устройства.

Параллельные шины PSI и AGP заменяются на новый последовательный интерфейс PSI Express. В его основу заложено использование одного или нескольких каналов (lanes), каждый из которых представляет собой две симплексные линии последовательной передачи данных.

Максимальная скорость передачи данных составляет 2Гбит/с или 250Мбайт/с, что в двое превышает возможности параллельной шины PSI. Устройства с интерфейсом PSI Express способны использовать для обмена данными между собой больше одного канала – 2,4,8,16 или 32. PSI Express совместима с PSI на программном уровне (т.е. не требует изменений на программном уровне), поддерживает «горячее» подключение и «горячую» замену устройств.

Она может найти применение не только в качестве внутренней системной шины ПК, но и для обмена данными между мостами чипсетов, для подключения внешних ПУ  и т.п.

AGP – высокоскоростная локальная шина ввода – вывода, используется для нужд видеосистемы. Была разработана на основе архитектуры шины PSI, поэтому она также 32-разрядная, но она имеет возможность увеличения пропускной способности за счет более высоких тактовых частот (66 МГЦ) и имеет разные режимы работы. Конструктивно выглядит как отдельный разъем и никакие другие компоненты к ней не подключаются.

Преимущества последовательной передачи данных

За какие-то пару-тройку лет вычислительная мощность ПК и производительность отдельных  их узлов выросла чудовищно. Но информацию нужно не только обрабатывать и хранить, но еще и передавать, причем передавать на как можно большие расстояния с как можно более высокой скоростью. Таким образом, появилась устойчивая тенденция к переходу с параллельных интерфейсов на последовательное. Началось все с замены на шину USB последовательных, но слишком медленных COM-портов и пар-го, но тоже устаревшего LPT-порта. Следующим шагом стал переход от параллельной IDE-шины для различных накопителей к последовательной Serial ATA. И, наконец, пришел черед и шины PCI.

Организовать работу устройств с парной шиной заметно проще, чем с последовательной, но при параллельном решении возникает довольно много других проблем, например, латентность. То есть необходимость осуществлять синхронизацию сигналов, переданных по каждому  проводнику параллельной шины за один такт. Также при «пар-м» варианте шины требуется очень много проводников и контактов, общая длина которых должна быть примерно одинаковой.

На данный момент стоимость производства чипов  для работы с традиционными шинами и усложненных чипов для работы с последовательными шинами находится на одном уровне, поэтому производителю проще создать более сложные контроллеры, чем плодить проводники и золоченые контакты – экономия на лицо.

Разъемы портов СОМ (Communication Port) – порт связи. Это последовательный порт, используемый для подключения: мыши, внешнего модема. Максимальная скорость передачи данных при этом – 115200 бит/с. Представляет собой 9-контактные двухразрядные трапецеидальные разъемы DB-9P (вилки). Обычно на СП их два СОМ1 и СОМ2, к каждому может быть подключено только одно устройство. Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно такой способ передачи и определяет название интерфейса и порта, его реализующего. Эти названия соответствуют английским терминам Serial Interface и Serial Port (иногда в неудачном переводе их называют “серийными”, что звучит довольно странно). Последовательная передача данных может осуществляться как в асинхронном, так и синхронном режимах.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигна­лизирующий приемнику о начале очередной посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (контроля четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий определенную выдержку между соседними посылка­ми же. Старт-бит следующего посланного байта может посылаться в любой момент после окончания стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности.

Асинхронный обмен в PC реализуется с помощью Сом порта с использова­нием протокола RS-232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым вплотную следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он запол­няет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Однако в синхрон­ном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к быстро накапливающейся ошибке и искажению принимаемых данных.

Разъем LPT (Line Printer) – для подключения принтеров, сканеров и других устройств, использующих для организации работы параллельный порт. Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера — отсюда и пошло его название LPT-порт (Line Printer — построчный принтер). Хотя через этот же порт подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу действия не построчные, а постраничные, название “LPT” закрепилось основательно. Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5. Порт имеет внешнюю 8-битную шину дан­ных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сиг­налов.

BIOS поддерживает до четырех (иногда до трех) LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом — прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтерами по интерфейсу Centromcs. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициа­лизацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

Рисунок 1 – Фиксация штепселя USB

Рисунок 2 – Расположение разъемов

Задание на лабораторную работу

Составьте таблицу устройства, которых подключаются к шинам.

Порядок выполнения:

1.                 Пользуясь дополнительной литературой, определите, к какому типу относятся разъемы шин на вашей системной плате. Зарисуйте внешний вид разъемов: PCI, ISA, IDE, USB, AGP, LPT, COM (рис. 1 – 2).

2.                 Составьте обобщающую таблицу по перечисленным шинам, укажите их технические характеристики, отличительные особенности, устройства, которые подключаются к этим шинам.

3.                 Нарисуйте архитектуру шин: PCI, USB (рис. 1, 2).

4.                 Сделайте вывод о проделанной работе.

5.                 Защитите лабораторную работу, ответив на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1.                 Что такое шина?

2.                 Перечислите известные вам виды шин.

3.                 На какие виды делятся шины ввода-вывода?

4.                 Пользуясь рисунками в лабораторной тетради, расскажите об архитектуре шины PCI.

5.                 Пользуясь обобщающей таблицей, расскажите, какие разъемы шин присутствуют на вашей системной плате, их технические характеристики и особенности. Какие устройства могут быть подключены к этим шинам и их разъемам?

Скачано с www.znanio.ru