Взаимодействие центральных и периферийных устройств ПЭВМ
Все периферийные устройства должны коммутироваться с центральной частью компьютера таким образом, чтобы вводимые данные могли корректно поступать в МПр, а информация, поступающая на устройства вывода, должна быть предварительно обработана, чтобы соответствовать спецификации этих устройств. Иначе говоря, обмен данными между устройствами возможен только в случае совместимости их интерфейсов. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо устройства, определяющих организацию обмена информацией между ним и МПр. Это электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. В случае несовместимости интерфейсов используют контроллеры, в состав которых входят схемы сопряжения и регистры, используемые для временного хранения передаваемой информации (порты ввода-вывода). В контроллерах ПУ реализованы два интерфейса: системной шины и ПУ. Первый, единый для всех контроллеров ПУ, включает шину данных, шину адреса и линии для передачи управляющих сигналов. Второй определяется спецификой функционирования конкретного ПУ и включает линии для передачи данных и линии для передачи сигналов управления. Данные между контроллером и ПУ могут передаваться в параллельном коде (параллельный интерфейс) и последовательном (последовательный интерфейс ПУ).
Термин “последовательный” означает, что связь осуществляется по одиночному проводнику (он может быть электрическим, оптическим, радиочастотным), а биты передаются последовательно, один за другим. Последовательная связь функционирует в асинхронном режиме, то есть при передаче данных специальный синхронизирующий сигнал не используется, и отдельные символы могут передаваться с произвольными временными интервалами - так же, как, например, при вводе данных с клавиатуры. Каждому символу должен предшествовать стандартный стартовый сигнал, а заканчиваться его передача должна “стоповым” сигналом. Назначение стартового сигнала - сообщить принимающему устройству, что следующие 8 бит представляют собой байт данных. Затем передаются один или два стоповых бита, сигнализирующие об окончании его передачи. В принимающем устройстве данные разделяются по появлению стартовых и стоповых сигналов, а не по моменту их передачи.
В параллельных портах для одновременной передачи байта данных используются 8 сигнальных линий.
При взаимодействии МПр и периферийных устройств важную роль играют прерывания. ПУ вырабатывает специальный сигнал (запроса прерывания) в момент его готовности для обмена данных с МПр. Так как прерывания могут возникать одновременно от различных устройств, то каждое из них имеет свой приоритет. Для управления очередностью и анализа возможностей выполнения прерываний в компьютере предусмотрено специальное устройство - контроллер прерываний.
При получении запроса от ПУ по одной из линий управляющей шины контроллер прерываний выдает в МПр сигнал прерывания (если оно должно быть обработано). Последний приостанвливает выполнение текущего задания и запрашивает, на каком устройстве произошло прерывание. Получив по шине данных из контроллера прерываний номер прерывания, МПр использует его как индекс для выборки из таблицы адреса программы - обработчика данного прерывания, под управлением которой осуществляется операция ввода-вывода. После того, как прерывание будет обработано МПр, выполнение текущих операций будет продолжено.
Основная Внешние
программа запросы
из шины управления
Программа МПр
обработки Номер Контроллер
прерывания прерывания прерываний
Основная
программа
С середины 2000 годов для подключения периферийных устройств широко используется интерфейс USB (универсальная последовательная шина).
Периферийные устройства, с поддержкой USB при подключении к компьютеру автоматически распознаются системой, и готовы к работе без вмешательства пользователя. Устройства с небольшим энергопотреблением (до 500мА) могут не иметь своего блока питания и запитываться непосредственно от шины USB.
USB устраняет проблему ограничения числа подключаемых устройств. При использовании USB с компьютером может одновременно работать до 127 устройств.
USB позволяет выполнять "горячее" (оперативное) подключение. При этом не требуется предварительное выключение компьютера, затем подключение устройства, перезагрузка компьютера и настройка установленных периферийных устройств. Для отключения периферийного устройства не требуется выполнять процедуру, обратную описанной.
Проще говоря, USB позволяет фактически реализовать все преимущества современной технологии "plug and play" ("включай и работай").
При подключении периферийного устройства вырабатывается аппаратное прерывание и управление получает драйвер контроллера USB , который на сегодняшний день интегрирован во все выпускаемые чипсеты материнских плат. Он опрашивает устройство и получает от него идентификационную информацию, исходя из которой управление передается драйверу, обслуживающему данный тип устройств.