Техническое обеспечение в внешние устройства ЭВС
для специальностей 220500, 503, 507
Кафедра КИБЭВС
Прищепа Л.С.
Томск-2003

№ 1
Два направления развития средств управляющей вычислительной техники.
а) Первое направление предполагает создание и использование узкоспециализированных УВМ, ориентированных на решение одной или достаточно узкого класса задач управления в определенной области применения.
б) Второе направление предусматривает создание и использование УВМ широкого или общепромышленного применения. При этом класс решаемых задач и области возможного применения УВМ жестко не фиксируются, а указываются лишь области наиболее целесообразного их применения.

№ 2
Факторы использования УВМ в системах управления (узкоспециализированные, широкого применения).
а) Для узкоспециализированных:
- алгоритм управления относительно несложен;
- управляющее устройство характеризуется повышенной надежностью.
б) Для широкоприменяемых:
- в процессе разработки и эксплуатации системы алгоритм управления может существенно изменяться;
- на потребляемую мощность, габариты и массу управляющего устройства не наложены жесткие ограничения.

№ 3
Кванты информации и их кодирование.
а) Внешняя среда по отношению к центральному процессору в качестве информационных квантов использует (в порядке возрастания величины кванта информации):
- пользователь – символ, слово, фраза, запись, файл; ;
- периферийные устройства – фраза, запись, блок, том.
б) Процессор оперирует квантами информации (в порядке возрастания величины кванта): бит, байт, слово, поле;
в) Кодирование – выбором символов из некоего конечного алфавита и размещением их в заданном формате.

№ 4
Подходы к использованию ЭВМ квантов информации в отношении систем управления производством.
Использование ЭВМ квантов информации в системах управления производством целесообразно в двух характерных областях:
- управление технологическими процессами (ТП);
- управление организационно-экономическими отношениями в процессе производства.
Эти области отличаются объектами управления – это либо технические средства, либо коллективы людей занятых в сфере материального производства.

№ 5
В зависимости от степени участия человека в контуре управления системы можно классифицировать:
- автоматические;
- полуавтоматические;
- автоматизированные.

№ 6
Классификация системы управления в зависимости от вида выдаваемой ЭВМ выходной документации.
ЭВМ вырабатывает выходную документацию для объекта управления в виде:
- переработанной, упорядоченной совокупности сведений. На основании их человек (оператор) принимает решение о характере воздействий на объект (СОД);
- совокупности рекомендаций относительно характера воздействий на управляемый объект.

№ 7
Взаимодействие между УВМ, объектом управления и органом управления организуют двумя способами:
- УВМ используют для решения отдельных периодически повторяющихся трудоемких задач (СОД) полученные сведения в виде документов готовят вручную как управляющие воздействия на объект;
- информация о состоянии управляемого объекта собирается автоматически. УВМ обрабатывает поступающую информацию и готовит рекомендации для органа управления (коллектив специалистов).

№ 8
В зависимости от областей применения УВМ принято делить на классы:
- общего назначения;
- проблемно-ориентированные;
- специализированные.

№ 9
Разделение УВМ общепромышленного назначения в зависимости от состава оборудования:
a. базовый комплекс служит основой для формирования других комплексов;
b. типовой комплекс для решения задач управления различного типа (типовых задач управления);
c. специфицированные комплексы комплектируются оборудованием по спецификации заказчика (вычислительные средства и периферийное оборудование).

№ 10
Основные способы управления ВУ.
- программный;
- прерываний.

№ 11
Поколения УВМ в зависимости от организации вычислительного процесса последовательно использовали принципы:
- ОКОД – одиночный поток команд и одиночный поток данных;
- ОКМД – одиночный поток команд и множественный поток данных;
- МКОД – множественный поток команд и одиночный поток данных.

№ 12
Структурное описание микропроцессора (МП) с фиксированной разрядностью, как элемента УВМ, содержит компоненты: (АЛУ, РОН, АКК, РК, УС, СК, РП, БрД, РА, ДшКОn, УУ), где
УС – указатель стека;
РП – регистр признаков;
БрД – буферный регистр данных.
Отсутствует в перечислении компонент МП шины связи.

№ 13
Стековая память.
Стек представляет собой ЗУ, последовательность считывания данных из которого обратна последовательности их записи. В указателе стека фиксируется номер очередной незанятой или последней занятой ячейки стека.

№ 14
В МП серии КР580 устройство управления (УУ) выполнено в жесткой логике и рассчитано на реализацию фиксированного списка команд.
Выполнение команд зависит от внешних условий и состояния МП, учитываемых в форме специальных сигналов, генерируемых УУ и РП на шины управления. Состав специальных управляющих сигналов может быть переменным в зависимости от функций УУ и РП.

№ 15
Как элемент УВМ микроЭВМ состоит из центрального процессора, основной (резидентной) памяти, интерфейса ввода-вывода. Состав блоков микроЭВМ предполагает ее использование в качестве устройства обработки информации.
Для решения широкого круга задач обработки информации состав блоков микроЭВМ расширяется за счет периферийных устройств (ПУ). В состав ПУ входят: внешняя память; устройства ввода-вывода; устройства связи с объектом; источник питания.

№ 16
Особенности организации памяти в микроЭВМ.
Сверхоперативная память реализуется в форме регистров общего назначения, аккумуляторов и буферных регистров.
Оперативная память реализуется отдельными модулями БИС полупроводниковой памяти.
Постоянная программируемая память разделена на типы:
- программируемые маской на предприятии-изготовителе;
- программируемые пользователем;
Полупостоянная (перепрограммируемая) память удобна при разработке исследовательских задач эвристических.

№ 17
Как организован ввод-вывод информации по программируемым и непрограммируемым интерфейсам.
Непрограммируемые интерфейсы обеспечивают связь с внешней средой по фиксированным алгоритмам.
Программно управляемые интерфейсные модули ввода-вывода выполняют в форме параллельных или последовательных адаптеров.

№ 18
Как формируются МП-системы с различным составом периферийных устройств.
На основе различного типа периферийных адаптеров и магистральной структуры связей между блоками формируют системы с различным составом периферийных устройств.
Помимо прямого подключения периферийного адаптера возможна каскадно-магистральная или магистрально-радиальная организация системы ввода-вывода.

№ 19
Устройства связи оператора с ПЭВМ (УСОп).
УСОп могут включать как специальные, характерные только для данного процесса (объекта) блоки, так и стандартные модули, входящие в состав периферийных устройств УВК.

№ 20
Назначение устройства связи с объектом.
УСО принято выделять в специальный класс периферийных устройств. Для УВМ и комплексов наличие УСО в составе периферийного оборудования является обязательным В общем случае УСО содержит в своем составе подсистемы аналогового и цифрового ввода-вывода.

№ 21
Основными функциями оборудования, используемого в различных подсистемах аналогового ввода, являются:
1) нормализация и усиление сигнала от объекта;
2) коммутация сигналов с помощью электронного или электромеханического переключателя;
3) аналого-цифровое преобразование сигналов от объекта.
Можно выделить три широко распространенные конфигурации подсистем аналогового ввода:
1) с цифро-аналоговым преобразователем в каждом выходном канале;
2) с одним ЦАП, работающим в режиме разделения времени и выходным запоминающим усилителем в каждом выходном канале;
3) конфигурация комбинированная.

№ 22
Подсистема цифрового ввода дискретных или подсчета многократно повторяющихся дискретных сигналов требует наличия счетчика или регистра хранения полученных данных.
Основным назначением подсистемы цифрового ввода является выработка цифровых сигналов и действий управления технологическим процессом.

№ 23
Системы с переменным составом оборудования позволяют на одной и той же ЭВМ решать задачи различных классов, хотя и с разной степенью эффективности.
Концепция переменного состава оборудования требует стандартизации форматов сообщений, алгоритмов управления обменом между аппаратными модулями, способов добавления новых программных модулей.

№ 24
Основными компонентами системы ввода-вывода являются каналы обмена информацией.

№ 25
Отличие интерфейса в зависимости от принципа организации передачи сообщений.
В УВК интерфейс ввода-вывода организован радиальным или магистральным, или комбинированным способом.

№ 26
Идея системы малых интерфейсов сводится к следующему. Возможны два способа подключения периферийных устройств к процессорам УВК.
При первом способе выполняют две самостоятельные разработки: для процессоров, использующих радиальный тип интерфейса; для процессоров, использующих магистральный тип интерфейса.
При втором способе электронное оборудование блока управления механизмом периферийного устройства делят на две части:
- блок управления механизмом прибора, не зависящий от того, к какой группе процессоров подсоединяется периферийное устройство;
- согласователь интерфейсов, отрабатывающий алгоритм взаимодействия с процессором.

№ 27
Основные функции систем ввода-вывода такие:
1) преобразование квантов форматов информации при вводе в форматы ЦП и ОП;
2) определение места в ОП, где должен быть размещен сформированный машинный квант при вводе или формирование текущего адреса ОП, откуда должен быть выбран квант информации при выводе.
3) формирование управляющих сигналов в различных режимах периферийных устройств и обработка сигналов, характеризующих состояние периферийного устройства.

№ 28
Средства совмещения операций обработки ввода-вывода.
Улучшить производительность ЭВМ можно за счет организации параллельного выполнения операций обработки и ввода-вывода.
При этом должен быть реализован асинхронный принцип управления.
Основными средствами, позволяющими совместить операции обработки и ввода-вывода, являются прерывания и приостановки.

№ 29
Простои в работе ЦП уменьшают:
- при однопрограммном режиме работы путем опережающего ввода порций информации: вначале вводят программу и данные; вторую порцию информации система ввода-вывода вводит при параллельно работающем ЦП. Вывод данных организуют параллельно с обработкой.
- При мультипрограммном режиме в ОП хранится несколько независимых программ (без использования результатов обработки других программ).
Обработка, ввод или вывод при обслуживании любой программы может быть начато независимо от того, завершилась ли обработка других программ.

№ 30
Три группы функций канала ввода-вывода:
1) функции по установлению логической связи между периферийным устройством (ПУ) и ОП. Передача информации через систему связи в каждый момент времени производится между ОП и только одним ПУ;
2) вторая группа связана с непосредственной передачей данных между ПУ и ОП;
3) группа функций связана с завершением обмена и разрушением ‘канала’.

№ 31
Основные характеристики канала ввода-вывода.
1) номинальная пропускная способность;
2) нагрузочная способность.

№ 32
Понятие интерфейса и его характеристики.
Аппаратным интерфейсом принято называть совокупность правил взаимодействия между отдельными устройствами, а также совокупность аппаратных, программных, конструктивных средств, необходимых для реализации этих правил:
- информационная совместимость;
- электрическая совместимость;
- конструктивная совместимость.

№ 33
Общая характеристика интерфейсов ИВК и УВМ.
Конфигурация ИВК определяется тем, какой системный интерфейс используется в примененной ЭВМ. Это комплекс средств сопряжения центрального процессора, оперативной памяти и внешних устройств, входящих в состав ИВК.
Устройства сопряжения, называемые интерфейсами, служат для преобразования унифицированных сигналов магистрали в сигналы, управляющие работой периферийного оборудования.

№ 34
Операции передачи данных через канал ЭВМ (по отношению к ЦП) разделяют:
- чтение данных ВВОД;
- запись данных ВЫВОД.

№ 35
Последовательная и параллельная передача данных.
Разброс параметров среды интерфейса, т.е. его линий и приемо-передающей аппаратуры, вызывает перекос информации.

№ 36
Синхронная и асинхронная передача информации.
Взаимодействия передатчика и приемника данных предполагает согласование во времени моментов передачи и приема квантов информации.
При синхронной передаче поддерживают постоянные интервалы между очередными квантами информации.
При асинхронной передаче синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта информации, интервалом между передачей квантов непостоянен.

№ 37
Соединение устройств и организация линий интерфейса.
Организация интерфейса должна предоставлять возможность устройству:
- занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения (арбитраж);
- обращаться к другому устройству по его адресу. Процесс называют адресацией;
- идентифицировать устройство, инициирующее обмен. По способу соединения устройств различают радиальный, магистральный, цепочный и комбинированный интерфейс.

№ 38
Линии интерфейса делят на:
- индивидуальные;
- коллективные;
- по критерию возможного направления передачи однонаправленные или двунаправленные.
- по критерию возможности совмещения передачи на полностью совмещенные, с частичным совмещением и полным разделением.

№ 39
Структура параллельных интерфейсов. Простейший интерфейс.
Среда интерфейса физически реализована в виде объединенной печатной платы, на которой размещены разъемы для установки модулей. Допускаются соединения отрезков магистрали посредством плоского кабеля.
Интерфейс содержит узел выбора адреса и синхронизации регистра данных, а также согласующие элементы – приемники и передатчики.

№ 40
Интерфейс МПИ является магистрально-цепочным, асинхронным, параллельным, полудуплексным интерфейсом с совмещенной шиной для передачи адреса и данных.

№ 41
Интерфейс с программным управлением на примере измерительного устройства АЦП.
Устройство служит для преобразования амплитуд входных импульсов в двоичные коды.
Выходной регистр АЦП хранит код амплитуды входного импульса. Разрядность выходного кода определяет точность измерения.
По команде ЭВМ вход АЦП разблокируется, после преобразования выделяется признак готовности, а ЭВМ, опросив признак, приступает к обслуживанию АЦП.

№ 42
Интерфейс И-41.
В многопроцессорных системах с переменным составом оборудования, называемых магистрально-модульными, наращивание вычислительных мощностей достигается не только за счет изменения состава периферийных устройств, но и за счет добавления универсальных или специализированных процессоров обработки.
Наибольшее распространение для таких ВС получил интерфейс И-41 асинхронный, тактируемый, полудуплексный магистрального типа.
Обмен данными осуществляется асинхронно по принципу “задатчик-исполнитель”.

№ 43
Интерфейс с обслуживанием прерываний.
Если внешнее устройство (ВУ) работает в режиме прерываний, то в оперативной памяти ЭВМ находятся две программы: основная (или фоновая) и программа обработки прерываний, основной задачей которой является передача очередного кванта информации между ВУ и ЦП или ОП.
Если ВУ готово к передаче или приему информации, то ВУ посылает к ЦП сигнал требования прерывания, а ЦП его обслуживает.

№ 44
Малые интерфейсы периферийных устройств.
Требования к малым интерфейсам различаются в зависимости от особенностей периферийных устройств (ПУ). Интерфейсы ПУ:
- со специализированными контроллерами не унифицируют;
- контроллеры конструктивно объединяют с самим ПУ;
Функции управления ПУ имеют два уровня:
- непосредственного управления механизмами и аппаратурой ПУ;
- преобразование алгоритмов обмена системного и малого интерфейсов.

№ 45
Программное обращение к ВУ. Анализ требований протокола МПИ.
Две части канальных циклов ВВОД и ВЫВОД: адресная и данные
Признаком адресной части считать сигнал в линии К СИА.
Признаком Д-части считать активное состояние сигнала в линии К СИП.

№ 46
Последовательность задач А-части протокола МПИ.
КДА, СА, РА.

№ 47
Выбор направления обмена с каналом по протоколу МПИ.
Пассивное состояние системного управляющего сигнала линии К ВВОД определяет режим приема данных к ВУ, а активное состояние сигнала в линии К ВВОД определяет режим чтения данных из ВУ.

№ 48
Селекция адреса ВУ адреса необходима для определения признака выбор устройства ВУ.
Селекция адреса выполнена по логике И.

№ 49
Адресное слово запоминается в схеме сопряжения с ВУ, как бит селекции адреса (СА) и младших разрядов адреса.

№ 50
Прием ВУ данных из канала на регистр осуществляется по адресу, указанному в команде по состоянию младших разрядов адресного слова.

№ 51
Передача данных ВУ в канал организована по состоянию сигнала ВВОД.
Размер (формат) передаваемых ВУ данных для МП слово.

№ 52
Для организации передачи встречных потоков данных в модуль сопряжения введена внутренняя общая шина, по которой от канала логическая 1 представлена высоким уровнем, а в направлении канала низким уровнем.

№ 53
Квитирование приема или передачи данных модулем сопряжения осуществляется сигналом СИП.

№ 54
Критерии сравнения при выборе элементной базы сопряжения с ВУ определяются системой основных параметров логическим ИМС: коэффициентом объединения по входу; коэффициентом разветвления по выходу; статической помехоустойчивостью; средней задержкой распространения сигнала.
Производится сравнительная оценка по параметрам, отражающим производственные и потребительские качества той или иной серии ИМС.

№ 55
Два способа диагностирования неисправностей модуля сопряжения канала с ВУ.
Поиск одного неработоспособного элемента с последующей заменой или исключением из структуры; поиск всех отказавших элементов.
Первый способ (диагностирование с восстановлением) – многошаговый процесс идентификации отказов и их восстановление.
Второй способ – одношаговый без восстановления рассматривает простые модели взаимодействия структурных единиц.

№ 56
Повышение достоверности диагностирования сопряжения ВУ с интерфейсом МПИ.
Недостоверность диагностирования связана с тем, что в реальной (физической) структуре модуля не выполняются вводимые априори предположения о характере неисправностей.
Повышение достоверности диагностирования сопряжения ВУ с каналом достигается введением резервных адресов в поле адресов модуля сопряжения.

№ 57
Тестирование связи с каналом МПИ осуществляют, опрашивая в цикле ВЫВОД резервный адрес модуля, хранящий жестко записанную в него константу. Если связи нет, то процессор вырабатывает соответствующее сообщение.

№ 58
Диагностика причин “Нет адреса” интерфейса МПИ при обращении к ВУ.
Установив в цикле ВЫВОД адрес в канале, МП пытается обратиться к модулю сопряжения, но не получает ответ форме сигнала К СИП Н. Можно явно указать причины его отсутствия, вызываемые неисправностями в процедурах КДА, УВ, СА, РА, СИП жесткой логики модуля:
1) не происходит программирование приемо-передатчиков по состоянию линии УВ (линия К ВВОД - пассивна) в режим прием;
2) не достоверна селекция адресного слова и сигнала К ВУ Н в процедуре СА;
3) не производится прием сигнала К ВЫВОД Н, формирование сигнала К СИП Н и передача его через канал.
Процессор формирует цикл ВЫВОД верно, если при обращении к другому адресу (вне адресуемого модуля) ситуация НЕТ АДРЕСА не наблюдается.

№ 59
Диагностика цепей чтения данных ВУ.
При проверке цепей чтения данных поступают точно так же, как в случае проверки измерительного прибора: устанавливают константу и ее измеряют, выявляя ошибки.
При чтении константы 0 (один резервный адрес модуля) процессор может обнаружить неалгоритмические 1 в некоторых битах принятого слова, что означает скрытый дефект изготовления ТЭЗ (замыкание линии на нуль источника питания).
При чтении константы 1 (другой резервный адрес модуля) возможно появление неалгоритмических 0 в некоторых битах слова (нарушение межэлементных связей модуля).

№ 60
Тестирование регистров ВУ.
В регистре РОН процессора организуют процесс “Бегущая 1”; каждые новые данные пересылают в регистр ВУ, а затем читают на другой РОН. Процессор сравнивает переданные и принятые данные и локализует ошибки в разрядах слова и указывает неисправные линии передачи.

№ 61
Причины векторного прерывания работы процессора со стороны ВУ различны. Основные причины возникают при выполнении функций ВУ и объединены в группы Ошибка и ГОТОВ. Установка одного из признаков этих групп достаточна для возникновения требования прерывания.

№ 62
Синхронизация шагов прерывания от ВУ.
Работа МП в режиме прерывания регламентирована с помощью системных управляющих сигналов. Устройство пользователя, способное перейти в режим прерывания (ТПР) должно обеспечивать: выработку сигнала К ТПР Н; прием и передачу (когда данное ВУ не формировало требование прерывания) сигнала предоставления прерывания К ППР Н, формирование К СИП Н и передачу адреса вектора прерывания, выделенного модулю системы.

№ 63
Последовательность процесса прерываний от ВУ содержит три шага:
- инициализация прерывания ПУСК функции ВУ. Выполнение функции ВУ связано с формированием признаков ОШИБКА и ГОТОВ.
- выявление необходимости и поиск источника прерывания: формирование К ТПР Н; прием системных К ВВОД Н и К ППР Н; передача ВЕКТОРА прерывания; формирование К СИП Н.
- обслуживание прерывания по программе, начальный адрес которой указан в векторе прерывания.

№ 64
Шаг инициализации прерываний от ВУ.
Процессор программно организует ПУСК функции ВУ. Выполнение функции ВУ асинхронно работе процессора связано с формированием признаков ГОТОВ или ОШИБКА. Процессор выполняет фоновую программу, ожидая требование прерывания.

№ 65
Шаг поиска источника прерывания от ВУ.
На этом шаге основные функциональные задачи решает внешнее устройство:
- выявляет необходимость формирования К ТПР Н путем анализа признаков ОШИБКА и ГОТОВ;
- принимает системные сигналы К ВВОД Н и К ППР Н;
- помещает адрес вектора в линиях адресов – данных канала и квитирует сигналом К СИП Н.

№ 66
Прерывание от ВУ.
Процессор загружает в счетчик команд первое слово вектора прерывания как печальный адрес подпрограммы обслуживания, а прежнее слово состояния загружает в стек. Процессор программно приступает к анализу причины прерывания и организует обмен данными с ВУ.
По завершении обслуживания процессор возобновляет выполнение фоновой программы, причем в счетчике команд и регистре состояния восстанавливается их прежнее состояние.

№ 67
Интерфейс прерывания от ВУ включает компоненты:
- регистр состояния;
- логику ИЛИ-И формирования ТПР;
- триггер ТПР требования прерывания;
- триггер ППР предоставления прерывания;
- системные передатчики.

№ 68
Типовая структура ЭВС включает: процессор, ОЗУ, пультовый терминал, шины связи. Процессор осуществляет обработку команд программы и управление объектов состава.

№ 69
Тенденции развития аппаратных средств ЭВС рассматривают в двух аспектах:
- требования пользователей – максимум удобств и простота разработки прикладных программ;
- эволюция структурной и функциональной организации, а также успехи технологии электронных компонент.

№ 70
Архитектура процессора как центрального модуля ЭВС отображает понятия теории автоматов, когда процессор представляют операционным устройством, включающим:
- операционный автомат;
- управляющий автомат;
- сверхоперативную память;
- шины связи элементов процессора.

№ 71
Взаимодействие элементов ЭВС отображает логическую организацию ЭВС при интерпретации команды программы. Обмен информацией между объектами ЭВС определен шинами связи и управляющими сигналами передачи.

№ 72
Организация шин в вычислительных средствах.
Шины различают: неуправляемые; управляемые; мультиплексируемые.

№ 73
Характеристика вариантов шинных структур.
- неуправляемые шины обеспечивают непосредственную связь компонентов системы, возможно включение в линии шины элементов ретрансляции;
- управляемые шины имеют в линиях передатчики разного типа со входом для сигналов синхронизации передачи;
- мультиплексируемые шины организуют передачу информации от различных адресуемых источников данных;
- управляемые шины организуют подключение к приемнику нескольких источников по логике МОНТАЖНОЕ ИЛИ.

№ 74
Понятие “команда”. Управляющие сигналы в состав рабочего цикла синхронизации обмена в ЭВС (при выборке команды).
В соответствии с теорией алгоритмов понятие “команда” отражает свойства:
- массовости наборов данных;
- результативности обработки данных;
- детерминированности в определении метки следующей команды программы. При выборке команды производится обращение к ОЗУ; прием команды в RGK; передача первого слова формата команды для анализа в УУ.

№ 75
Варианты микропрограммной и аппаратной организации устройства управления:
- аппаратная, когда устройство управления для интерпретации машинного кода построенного на тех же элементах, составляющих структуру процессора;
- микропрограммная, когда процесс интерпретации команды использует помимо цепочек машинных кодов цепочки языка иного уровня, непосредственно управляющего физическим слоем процессора.

№ 76
Варианты моделей процессоров с разделенными и совмещенными шинами канала обмена с ВУ.
Протоколы канального обмена процессоров с ВУ предполагают передачу адресов, данных и сигналов управления по соответствующим шинам.
Разделенные шины канала характерны для моделей процессоров INTEL.
Совмещенные - для моделей процессоров DEC.

№ 77
Арифметические и логические (АЛУ) средства обработки информации. Взаимодействие АЛУ в составе процессора с другими его компонентами:
- объекты СОЗУ общего назначения;
- регистры данных рабочие;
- регистры буферный дополнительные;
- регистры результата дополнительные;
- шины связи.