Порты ввода-вывода

Порт ввода-вывода – логическое объединение сигнальных линий, через которое принимаются и передаются данные.
Каждая линия порта, как правило, обозначается как Pnx, где

• n – обозначение порта;
• x – номер бита (линии) в порте.

Каждый порт ввода-вывода обслуживают как минимум 3 служебных регистра:

• регистр, содержащий данные (уровни сигналов) на всех линиях порта и используется для записи сигналов в порт;
• регистр, содержащий состояния входов порта, доступен только для чтения, используется при чтении данных из порта;
• регистр направления линий порта: каждая линия порта может быть сконфигурирована как вход или как выход в зависимости от значения бита этого регистра.

Если какая-то линия порта ввода-вывода в схеме не используется, она должна быть определена как выход (соответствующий бит регистра направления должен соответствовать выходу), и ее выходное значение должно быть равно 0.

Большинство линий ввода-вывода могут быть сконфигурированы для выполнения альтернативных функций, обозначенных в назначении выводов микроконтроллера.

Для всех линий портов ввода-вывода, как правило, доступна программная конфигурация входных подтягивающих резисторов. Подтягивающие резисторы осуществляют доопределение потенциалов «брошенных» входов напряжением высокого (Pull-up) или низкого (Pull-down) уровня.

Для обращения к отдельным линиям порта используется маскирование битов.

Входные элементы управления

В качестве входных элементов управления могут использоваться

• другие элементы схемы;
• тумблеры;
• джамперы;
• множественные переключатели;
• кнопки.

Тумблеры предназначены для коммутации цепей управления. Обрабатываемый сигнал с тумблера – потенциальный.

Различают 1-позиционные и 2-позиционные тумблеры:

1-позиционные

2-позиционные

Джамперы , как правило, используются для переключения режима работы, и их состояние проверяется только в момент включения питания микроконтроллера. Установка джампера замыкает 2 вывода, между которыми он установлен.

Множественные переключатели представляют собой набор 1-позиционных тумблеров в миниатюрном формате.

Кнопки предназначены для коммутации цепей управления. Обрабатываемый сигнал с кнопки – импульсный и фиксирует момент нажатия кнопки и момент ее отжатия.

Выходные элементы управления

В качестве выходных элементов управления могут использоваться

• другие элементы схемы;
• элементы индикации (единичные светодиоды или светодиодные сборки, в частности, — 7-сегментные индикаторы).

Единичные светодиоды

7-сегментные индикаторы

Различают 7-сегментные индикаторы с общим анодом и с общим катодом.

При подаче логической единицы на соответствующий сегмент индикатора с общим катодом светодиод сегмента включается. При этом общий вывод сегментов (катод) должен быть соединен с логическим нулем.

При подаче логического нуля на соответствующий сегмент индикатора с общим анодом светодиод сегмента включается. При этом общий вывод (анод) должен быть соединен с логической единицей.

В таблице приведены коды для отображения цифр на 7-сегментном индикаторе

Назначение и виды портов ввода-вывода на компьютере

— А почему у тебя в учебном классе все системные блоки под столами стоят?
— А мне нравится наблюдать, как студентки USВ—порт ищут.

Система ввода-вывода информации, наряду с процессором и памятью — это одна из важнейших систем компьютера. И расположенные в системном блоке порты ввода-вывода являются важнейшей частью архитектуры персонального компьютера.

Назначение и разновидности портов в/в

Термин «порт» пришел в компьютерный лексикон из схемотехники. В ней портом ввода-вывода называют любое аппаратное решение, которое позволяет какому-либо контролеру или процессору обмениваться информацией с устройствами ввода-вывода напрямую, минуя память. Например, у популярного семейства микроконтроллеров AVR портами называются контакты, позволяющие обмениваться данными с внешними устройствами.

Применительно же к архитектуре ПК портами ввода-вывода можно назвать разъемы, позволяющие подключать к компьютеру периферийные устройства, а также обслуживающие эти разъемы микросхемы.

Назначение портов ввода-вывода – передача и прием информации за пределы компьютера. К портам в/в могут подключаться различные устройства, ответственные за прием, обработку, передачу и преобразование информации в вид, удобный для восприятия пользователем.

В данной статье мы не будем затрагивать порты, которые можно встретить исключительно на платах расширения, а кратко расскажем лишь о функциях и особенностях портов, которые чаще всего находятся на самой материнской плате.

Список портов ввода-вывода, обычно использующихся в персональном компьютере:

• Параллельный (LPT)
• Последовательный (COM)
• Игровой
• Разъем Ethernet
• Разъем PS/2 (мышь)
• Разъем PS/2 (клавиатура)
• USB
• VGA-разъем и прочие видеовыходы
• Аудиоразъемы для подключения динамиков, микрофона, и.т.д.

Порты в/в на материнской плате форм-фактора ATX:

1 – Разъем PS/2 (мышь); 2 – Разъем PS/2 (клавиатура); 3 – Выход Ethernet; 4 – Два разъема USB; 5 – Разъем последовательного порта; 6 – Разъем параллельного порта; 7 – Разъем VGA; 8 – Игровой порт; 9 – Аудиопорты (слева направо: линейный выход, вход, микрофон).

Часто в компьютерном обиходе к портам ввода-вывода ПК относят лишь традиционные, низкоскоростные порты ввода-вывода, существовавшие еще в первых IBM-совместимых компьютерах — это параллельный, последовательный и игровой порты. Следует отметить, что на материнских платах современных компьютеров эти порты встречаются нечасто.

Параллельный порт (LPT)

Главная особенность параллельного порта – одновременная передача данных по нескольким линиям. Эта черта сближает LPT с внутренними шинами компьютера. Основное назначение параллельного порта – подключения внешних устройств, и в большинстве случаев таким устройством является принтер.

Первые версии параллельного порта имели одностороннюю направленность, то есть, данные по кабелю могли передаваться лишь в одну сторону – к периферийному устройству. В дальнейшем были введены усовершенствованные стандарты интерфейса LPT, в которых данные могли передаваться в обе стороны.

Последовательный порт (COM)

Этот порт отличает последовательная передача данных по одной линии. Последовательная передача означает, что биты информации передаются по линии один за другим. Кроме того, передача данных в последовательном порту является двунаправленной. Как правило, COM предназначен для подключения таких периферийных устройств, как мышь или модем. В качестве разъема порта на материнской плате компьютера используется 9-штырьковый разъем DE-9 типа «вилка».

Игровой порт

На сегодняшний день этот порт не так уж часто встречается на материнских платах. Кроме того, его не поддерживают современные операционные системы, такие, как Windows 7. Тем не менее, его до сих пор можно увидеть на звуковых картах. Разъемом порта является коннектор c 15-ю контактами.

Как можно догадаться из названия порта, он предназначен, прежде всего, для подключения джойстиков. Особенностью порта является возможность подключить к нему сразу два устройства. Кроме того, в звуковых картах игровой порт часто используется для подключения MIDI – устройств, например, таких, как синтезаторы. Поскольку он способен работать с аналоговыми и аналого-цифровыми устройствами, то в обслуживающую его микросхему встроен аналого-цифровой преобразователь.

PS/2

Разъем PS/2 используется в компьютере для подключения мыши и/или клавиатуры. Несмотря на то, что он был разработан довольно давно, еще в середине 1980-x, тем не менее, он до сих активно используется в компьютерах. В некоторых материнских платах находятся два универсальных разъема, к которым можно подключить и мышь, и клавиатуру, в других же существует два отдельных разъема для мыши и клавиатуры. При этом разъем зеленого цвета предназначен для подключения мыши, синего – для клавиатуры. Оба разъема выполнены в формате mini-DIN c 9 контактами.

Порт USB, о котором будет подробно рассказано в отдельной статье, является наиболее скоростным, универсальным и производительным портом в/в в современных компьютерах. Именно по этой причине USB практически вытеснил многие другие порты. Обычно в компьютере используется несколько разъемов для подключения устройств USB.

Заключение

Порты в/в персонального компьютера является неотъемлемой частью его системы ввода- вывода и предназначены для подсоединения различных периферийных устройств. Наличие портов ввода-вывода позволяет пользователю вводить информацию в компьютер, получать ее от других компьютеров и устройств, а также передавать ее.

Тема 6. Организация ввода-вывода ПК

Общие рекомендации по выбору памяти.

Инженер, работающий с компьютерной техникой, должен знать, в каком случае память будет «узким местом» при работе компьютера и уметь предвидеть и устранять возможные проблемы. В этом разделе суммируются все, что было уже сказано о памяти, и все это выдается в виде кратких рекомендаций.

В таблице представлены минимальные, рекомендуемые и максимальные требования к памяти для различных операционных систем. Данные получены обобщением опыта многих системных администраторов г. Саратова. Максимальное значение ОЗУ — объем памяти, сверх которого повышение скорости работы компьютера не наблюдается.

Таблица
ОС	Мин.	Рек.	Макс.
MS-DOS 3.30	256K	640K	640K
MS-DOS 6.22	640K	4Mb	8Mb
MS-DOS + Win 3.11	2Mb	8Mb	16Mb
Win 95	8Mb	16Mb	64Mb
Win NT 3.51	4Mb	8Mb	24Mb
Win NT 4.0	16Mb	24Mb	64Mb
Win 98	16Mb	48Mb	128Mb
Win 2000 Prof	32Mb	128Mb	256Mb
Win 2000 Serv	128Mb	256Mb	-?
OS/2	8Mb	16Mb	64Mb
Linux	16Mb	64Mb	128Mb

Примечание: Microsoft Windows 98 может работать и при том же объеме памяти, что и Microsoft Windows 95, однако тогда для свопинга памяти необходимо иметь втрое большее свободное дисковое пространство (начиная от 128 Мбайт.)

Исходя из этой таблицы необходимо выбирать объем оперативной памяти для операционной системы.

Так, если Вы устанавливаете новую операционную систему на старый компьютер, ориентируйтесь на левый столбец. Покупая новый компьютер, ориентируйтесь на средний столбец. Правый же столбец удержит Вас от «глупой» затеи: покупки новой памяти вместо ее оптимизации.

При установке прикладных пакетов учтите, что установка каждого нового пакета, кроме дискового пространства, требует дополнительно к минимальному значению ОЗУ 2-4 Мбайта памяти! Это правило отчасти объясняет тот факт, что при большом числе установленных пакетов все программы работают медленнее, даже если они загружаются и работают поочередно. При этом производительность и устойчивость работы компьютера снижается экспоненциально до некоторого предела, зависящего от производителя и марки компьютера!

Драйвер (driver) – программное обеспечение, позволяющее конкретному устройству работать с остальными устройствами компьютера. Каждому устройству соответствует свой драйвер, разработанный под соответствующую операционную систему (операционная система – программное обеспечение, позволяющее всем частям компьютера работать как единое целое). Операционная система компьютера не распознает устройство до тех пор, пока не будет установлен необходимый драйвер (если операционная система не поддерживает спецификацию Plug and Play(включи и работай)). Существуют драйверы мыши, клавиатуры, видеокарты и т.д.

Каждое устройство для своей работы использует ресурсы ПК, называемыми системными. Обычно под систем­ными ресурсами подразумевают:

	адреса портов ввода-вывода.
	каналы запросов прерываний (IRQ);
	адреса памяти;
	каналы прямого доступа к памяти (DMA); ‘

Адреса портов ввода-вывода.

Через порты ввода-вывода к компьютеру можно подключать разнообразные устройства для расширения его возможностей. Принтер, подключенный к одному из параллельных портов LPT, позволяет вывести на бумагу результаты работы. Модем, соединенный с одним из последова­тельных портов СОМ, обеспечивает связь по телефонным линиям с другими компьютерами, на­ходящимися за тысячи километров от вас. Сканер, подключенный к порту LPT или адаптеру SCSI, позволяет ввести в компьютер графические изображения или текст непосредственно с листа бумаги и преобразовать их в необходимый формат для дальнейшей обработки.

В большинстве компьютеров имеется хотя бы два последовательных порта и один парал­лельный. Последовательные порты обозначаются, как СОМ1 и COM2, а параллельный —LPT1. В принципе, в компьютере можно установить до четырех последовательных (СОМ1-СОМ4) и трех параллельных (LPT1-LPT3) портов.

Теоретически, к каждому из четырех последовательных портов компьютера можно подключить ка­кое-либо устройство, например мышь или модем, но это приводит к возникновению конфликтов, связан­ных с использованием ресурсов.

Порты ввода-вывода позволяют установить связь между устройствами и программным обеспечением в компьютере. Они подобны двусторонним радиоканалам, так как обмен ин­формацией в ту и другую сторону происходит по одному и тому же каналу.

В отличие от прерываний IRQ и каналов прямого доступа к памяти, в наших персональных компьютерах мы имеем огромное множество портов ввода-вывода. Имеется 65 535 портов, пронумерованных от 0000h до FFFFh, и это, пожалуй, самый удивительный артефакт в процессоре Intel. Хотя многие устройства используют до восьми портов, все равно их количество более чем достаточное. Самая большая проблема состоит в том, чтобы двум устройствам случайно не назначить один и тот же порт.

Хотя порты ввода-вывода обозначаются щестнадцатеричными адресами, подобными адресам памяти, они не память; они — порты. Различие состоит в том, что, когда вы посылаете данные по адресу памяти 1000h, то данные будут сохранены в модуле памяти SIMM или DIMM. Если вы посылаете данные по адресу 1000h порта ввода-вывода, то эти данные попадают на этот «канал» шины, и любое устройство, прослушивающее этот канал, может принять эти данные. Если никакое устройство не прослушивает этот адрес порта, то данные достигнут конца шины и будут поглощены нагрузочными резисторами шины.

Специальные программы — драйверы — взаимодействуют, прежде всего, с устройствами, используя различные адреса портов. Драйвер должен знать, какие порты использует устройство, чтобы работать с ним. Обычно это не проблема, поскольку и драйвер, и устройство, как правило, поставляются одной и той же компанией.

Системная плата и набор микросхем системной логики обычно используют адреса портов ввода-вывода от 0h до FFh, а все другие устройства— от 100h до FFFFh.

Каналы запросов прерываний (irq).

Прерывания — это базовый механизм реакции системы на возникающие события. Аппаратные прерывания, называемые обычно IRQ (Interrupt ReQuest) — это физические сигналы, с помощью которых контроллер устройства информирует процессор о необходимости обработать некоторый запрос.

Каналы прерываний представляют собой проводники на системной плате и соответст­вующие контакты в разъемах. После получения IRQ компьютер приступает к выполнению специальной процедуры его обработки, первым шагом которой является сохранение в стеке содержимого регистров процессора. Затем происходит обращение к таблице векторов пре­рываний, в которой содержится список адресов памяти, соответствующих определенным но­мерам (каналам) прерываний. В зависимости от номера полученного прерывания запускается программа, относящаяся к данному каналу.

Указатели в таблице векторов определяют адреса памяти, по которым записаны програм­мы-драйверы для обслуживания платы, пославшей запрос. Например, для сетевой платы век­тор прерывания содержит адрес сетевых драйверов, предназначенных для работы слей; для контроллера жесткого диска вектор указывает на программный код BIOS, обслуживающий контроллер

После выполнения необходимых действий по обслуживанию устройства, пославшего за­прос, процедура обработки прерывания восстанавливает содержимое регистров процессора (извлекая его из стека) и возвращает управление компьютером той программе, которая вы­полнялась до возникновения прерывания.

Благодаря прерываниям компьютер может своевременно реагировать на внешние собы­тия. Например, всякий раз, когда с последовательного порта в систему поступает новый байт, вырабатывается IRQ.

Аппаратные прерывания имеют иерархию приоритетов: чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет. Прерывания с более высоким приоритетом имеют преимущество перед прерываниями с более низкими приоритетами и могут «прерывать прерывания». В результате в компьютере может возникнуть несколько прерываний, «вложенных» друг в друга.

При генерации большого количества прерываний стек может переполниться и тогда ПК зависнет. Если такая ошибка возникает слишком часто, попытайтесь исправить ситуацию, увеличив параметр STACKS (размер стека) в файле CONFIG.SYS.

Условно схема обработки прерывания выглядит следующим образом:

1.процессор получает сигнал прерывания и его номер;

2.по специальной таблице отыскивается адрес программы, ответственной за обработку прерывания с данным номером — обработчика прерывания;

3.процессор приостанавливает текущую работу и переключается на выполнение обработчика (в общем случае это некоторый драйвер);

4.драйвер получает доступ к устройству и проверяет причину возникновения прерывания;

5.запускаются запрошенные действия — инициализация, конфигурирование устройства, обмен данными и др.