Содержание1. Работа основных цифровых элементов 1
2. Функциональные узлы схемотехники последовательного типа 9
3. Схемотехника запоминающих устройств 17
4. Внешние и внутренние интерфейсы, подключаемые устройства 25
Шины SCSI и USB 27
Порты LTP и COM 29
5. Классификация интерфейсов по типам 33
6. Связь компьютера с периферийными устройствами 38
7. Методы аналоговой модуляции в сетях 42
8. Типы и характеристики линий связи (сети) 45
9. Технология Ethernet 53
10. Модель OSI 60
11. Цифровое кодирование 65
12. Структурированная кабельная система 72
13. Коммутация каналов сетей 76
14. Файловая система 82
15. Функции операционной системы по управлению устройствами 87
16. Программные и аппаратные прерывания 112
17. Проектирование программного обеспечения 117
18. Методология объектно-ориентированного программирования 128
19. Технологические средства разработки программного обеспечения 133
20. Методы отладки и тестирования программ 137
21. Проектирование интерфейса с пользователем 145ВведениеДаже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим операциям над логическими переменными О и 1. Такие операции реализуются логическими элементами в соответствии с формулами алгебры логики. В идеализированных схемах логические элементы могут быть представлены моделями вида, т.е. условными графическими обозначениями - прямоугольниками, в которых ставится символ выполняемой операции, а на линиях входных и выходных переменных могут изображаться кружки (индикаторы инверсии), если данная переменная входит в формулу зависимости выходной переменной от входных в инверсном виде.
В реальных условиях логические переменные 0 и 1 отображаются, как правило, двумя различными уровнями напряжения: Uo и Uj. Переход от логических переменных к электрическим сигналам ставит вопрос о логических соглашениях. Необходимо условиться, какой из двух уровней напряжения принять за Uq и какой за Uj. Существуют соглашения положительной и отрицательной логики. В положительной логике Uj > Uq, а в отрицательной Uj < Uo- Один и тот же элемент, в зависимости от принятого логического соглашения, выполняет различные логические операции. Переход от операции в положительной логике к операции в отрицательной производится инвертированием всех переменных.
Наряду с обозначениями Uj и Uq могут быть использованы и обозначения высокого и низкого уровней напряжения соответственно как Н (High) и L (Low).
Одни и те же преобразования логических переменных можно задать в различных формах: с помощью операций И, ИЛИ, НЕ (булевский базис), операции И-НЕ (базис Шеффера), операции ИЛИ-НЕ (базис Пирса), а также многими другими способами. Выбор базиса зависит от простоты реализации той или иной операции с помощью электрических схем данной схемотехнологии. Чаще всего встречаются базисы Шеффера и Пирса. В развитых сериях стандартных ИС наряду с базовыми логическими элементами обычно имеется и ряд других, выполняющих другие логические операции.
Быстродействие или даже работоспособность ЦУ зависит от задержек сигналов в логических элементах и линиях связей между ними. Реальные переходные процессы в логических элементах достаточно сложны, и в моделях они отображаются с той или иной степенью упрощения. В простейшей модели динамические свойства элемента отражаются введением в его выходную цепь элемента задержки сигнала на фиксированное время t3. В силу простоты такая модель находит применение на практике, несмотря на то, что она является грубой и не учитывает ряд существенных факторов: технологического разброса задержек элементов, зависимости их от направления переключения элемента (из 0 в 1 или из 1 в 0), зависимости их от емкостной нагрузки, которая может быть резко выраженной и т.д. Простейшая модель не учитывает также фильтрующих свойств реальных элементов, благодаря которым короткие входные импульсы, обладающие малой энергией, не способны вызвать переключение элемента
Применение более точных моделей задержек сопровождается усложнением расчетов при анализе работы ЦУ и характерна для САПР. Для правильного проектирования и эксплуатации ЦУ необходимо знать систему параметров логических элементов (статических и динамических).
Быстродействие логических элементов определяется скоростями их перехода из одного состояния в другое. Быстродействие ЦУ определяется задержками сигналов, как в логических элементах, так и в цепях их межсоединений.
Временные диаграммы переключения инвертирующего логического элемента показывают длительности характерных этапов переходных процессов, отсчитываемые по так называемым измерительным уровням. Моментом изменения логического сигнала считают момент достижения им порогового уровня. Часто за пороговый уровень принимают середину логического перепада сигнала. Иногда пороговый уровень указывается более точно в паспортных данных элемента. На временных диаграммах показаны задержки распространения сигнала при изменении выходного напряжения элемента. Очень часто для упрощения расчетов пользуются усредненным значением задержки распространения сигнала.
Усреднение не относится к технологическому разбросу задержек. Также следует заметить, что справочные данные о задержках соответствуют определенным условиям измерений, указанным в справочниках. Если условия работы элемента отличаются от условий измерения, то может потребоваться коррекция справочных данных.
На быстродействие ЦУ влияют также емкости, на перезаряд которых требуются затраты времени. В справочных данных приводятся входные и выходные емкости логических элементов, знание которых позволяет подсчитать емкости нагрузки в узлах схемы. Для подключаемой к выходу элемента емкости приводятся две цифры: номинальная емкость и предельно допустимая емкость. Первая емкость соответствует условиям измерения задержек сигналов, так что именно для нее справедливы значения задержек сигналов, приведенные в справочных данных. Если реальная нагрузочная емкость отличается от номинальной, то изменятся и значения задержек.
Предельно допустимая емкость указывает границу, которую нельзя нарушать, поскольку при этом работоспособность элемента не гарантируется.
Разумеется, при подсчете емкостей в узлах ЦУ учитываются и емкости межсоединений (монтажные емкости).
Дешифраторы относятся к преобразователям кодов. Двоичные дешифраторы преобразуют двоичный код в код "1 из N". В кодовой комбинации этого кода только одна позиция занята единицей, а все остальные - нулевые. Двоичный дешифратор, имеющий n входов, должен иметь 2" выходов, соответствующих числу разных комбинаций в n-разрядном двоичном коде. В зависимости от входного двоичного кода на выходе дешифратора возбуждается одна и только одна из выходных цепей. Если часть входных наборов не используется, то дешифратор называют неполным. В условном обозначении дешифраторов проставляются буквы DC (от английского Decoder). Входы дешифратора принято обозначать их двоичными весами. Кроме информационных входов дешифратор обычно имеет один или более входов разрешения работы обозначаемых как EN (Enable). Часто дешифратор имеет инверсные выходы. В этом случае только один выход имеет нулевое значение, а все остальные единичное. При запрещении работы дешифратора на всех его выходах будет присутствовать логическая единица.
Мультиплексоры осуществляют подключение одного из входных каналов к выходному под управлением управляющего (адресующего) слова. Разрядности каналов могут быть различными, мультиплексоры для коммутации многоразрядных слов составляются из одноразрядных. Входы мультиплексора делятся на две группы: информационные и адресующие. Работу мультиплексора можно упрощенно представить с помощью многопозиционного ключа. Для одноразрядного мультиплексора это адресующий код А задает переключателю определенное положение, соединяя с выходом F один из информационных входов х,.
При нулевом адресующем коде переключатель занимает верхнее положение xq, с увеличением кода на единицу переходит в соседнее положение xi и т. д. Схемотехнически мультиплексор реализует электронную версию переключателя, имея, в отличие от него, только одностороннюю передачу данных. В стандартных сериях размерность мультиплексоров не более 16x1. Демультиплексоры выполняют операцию, обратную операции мультиплексоров - передают данные из одного входного канала в один из нескольких каналов-приемников. Многоразрядные демультиплексоры составляются из нескольких одноразрядных.
Компараторы (устройства сравнения) определяют отношения между двумя словами. Основными отношениями, через которые можно выразить остальные, можно считать два - "равно" и "больше". Определим функции, вырабатываемые компараторами, следующим образом: они принимают единичное значение (истинны), если соблюдается условие, указанное в индексе обозначения функции.
В сериях цифровых элементов обычно имеются компараторы с тремя выходами: "равно", "больше" и "меньше". Для краткости записей в индексе выходных функций указывается только слово А. Устройства сравнения на равенство строятся на основе поразрядных операций над одноименными разрядами обоих слов. Слова равны, если равны все одноименные их разряды, т. е. если в обоих нули или единицы. Компараторы для слов большой разрядности получают наращиванием размерности путем использования нескольких компараторов.
Сложность ЭВМ и других ЦУ определяет важность операций контроля и диагностики их функционирования. В некоторых случаях контроль жизненно важен (авиационные приборы, управление мощными энергетическими установками, мониторинг пациентов в клиниках и др.). Причинами нарушения нормальной работы ЦУ могут быть отказы и сбои. Цели и задачи контроля, диагностики и исправления ошибок в ЦУ могут быть разными. Можно ставить задачу предотвращения ошибок в работе ЦУ. Для этого необходимы такие меры, как применение высококачественных элементов схем, стабилизация условий окружающей среды и т.п. Но даже при всех стараниях вряд ли возможно полностью избавиться от ошибок.
Имея в виду неизбежность возникновения ошибок, следует позаботиться об их выявлении. Задачи выявления ошибок решаются разными методами. Для выявления ошибок используются специальные коды, более сложные, чем двоичные.
Можно ставить задачи маскирования (исправления) ошибок. В этом случае наличие ошибок определенного типа и количества не нарушает работу устройства, поскольку их влияние устраняется автоматически. В этой области используется, например, троекратное резервирование устройств с выработкой результата путем "голосования" с помощью мажоритарных элементов. Эти элементы вырабатывают выходные данные "по большинству" входных. Если из 3 устройств одно стало работать неправильно, это не скажется на результате. Только ошибка в двух из трех каналов проявляется в результате. Добавление к функциям устройств функций контроля всегда связано с избыточностью - платой за новые возможности будут дополнительные аппаратные или временные затраты.
К схемам связанным с пониманием работы ИС, выпускаемых для использования в системах контроля: относятся мажоритарные элементы, схемы контроля по модулю 2 и схемы кодирования-декодирования для кодов Хемминга.
Задача мажоритарного элемента - произвести "голосование" и передать на выход величину, соответствующую большинству из входных.
Контроль правильности передач и хранения данных - важное условие нормальной работы ЦУ. В этой области простейшим и широко применявмым методом является контроль по модулю 2. Контроль по модулю 2 эффективен там, где вероятность единичной ошибки много больше, чем вероятность двойной (или вообще групповой). В частности, для полупроводниковой основной памяти компьютеров такая ситуация справедлива, т. к. каждый бит слова хранится в своей собственной ячейке, и наиболее вероятны единичные ошибки. А для памяти на магнитных носителях информации (диски, ленты) дефекты таковы, что обычно затрагивают площадь, на которой размещено несколько бит данных, поэтому для этой памяти контроль по модулю 2 неэффективен. Контроль по модулю 2 применим не только для операций передачи и хранения слов, но и для некоторых более сложных операций. В этих случаях недостаточно просто добавить к информационному слову контрольный разряд, а требуются более развитые операции.
Методы контроля с помощью кодов Хемминга основаны на тех же идеях, что и контроль по модулю 2. Отсюда и область эффективного применения кодов Хемминга - устройства, в которых вероятность единичных ошибок много больше, чем вероятность групповых. Для получения кодовой комбинации кода Хемминга к информационному слову добавляется несколько контрольных разрядов. Код Хемминга относится к числу простых. Есть много более сложных кодов с большими корректирующими возможностями (БЧХ, код Файра, код Рида-Соломона и др.).
Сумматоры выполняют арифметическое (в противоположность логическому) сложение и вычитание чисел. Имеют самостоятельное значение и являются также ядром схем арифметико-логических устройств (АЛУ), реализующих ряд разнообразных операций и являющихся непременной частью всех процессоров. Аппаратная сложность и быстродействие сумматора являются очень важными параметрами и поэтому разработано множество вариантов сумматоров, которые имеют разветвленную классификацию. Выделяя главные варианты, остановимся на следующих типах сумматоров: одноразрядный сумматор; сумматор для последовательных операндов; сумматор для параллельных операндов с последовательным переносом; сумматор для параллельных операндов с параллельным переносом; сумматор групповой структуры с цепным переносом; сумматор групповой структуры с параллельным межгрупповым переносом; сумматор с условным переносом; накапливающий сумматор.
Наряду с сумматорами могут быть реализованы вычитатели, однако это почти никогда не делается, поскольку вычитание выполняется через сложение с применением дополнительных либо обратных кодов. В некоторых сериях элементов сумматоры отсутствуют. Причиной этого обычно является наличие арифметико-логического устройства, для которого режим суммирования есть один из возможных режимов.
Арифметико-логические устройства АЛУ (ALU, Arithmetic-Logic Unit) выполняют над словами ряд действий. Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.Обычно АЛУ четырехразрядны и для наращивания разрядности объединяются с формированием последовательных или параллельных переносов. Логические возможности АЛУ разных технологий (ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ) сходны. В силу самодвойственности выполняемых операций условное обозначение и таблица истинности АЛУ встречаются в двух вариантах, отличающихся взаимно инверсными значениями переменных. В логико-арифметических операциях встречаются и логические и арифметические операции одновременно. При операциях над словами большой размерности АЛУ соединяются друг с другом с организацией последовательных или параллельных переносов. В последнем случае совместно с АЛУ применяют микросхемы - блоки ускоренного переноса (CRU, Carry Unit), получающие от отдельных АЛУ функции генерации и прозрачности, а также входной перенос и вырабатывающие сигналы переноса по формулам.
Микросхемы множительных устройств появились в 1980-х годах, когда достигнутый уровень интеграции позволил разместить на одном кристалле достаточно большое количество логических элементов. Структура матричных умножителей тесно связана со структурой математических выражений, описывающих операцию умножения. Матричные перемножители могут быть просто множительными блоками (МБ) или множительно-суммирующими (МСБ), последние обеспечивают удобство наращивания размерности умножителя.Литература"
|
|
