Архитектура ЭВМ 7 страница. Канал TDMS использует для передачи данных не уровни 1 и 0 сигнала, а переходы с уровня на уровень

Канал TDMS использует для передачи данных не уровни 1 и 0 сигнала, а переходы с уровня на уровень. Это уменьшает в два раза число переходов сигнала при передаче единиц и нулей. Линии канала TDMS имеют противоположную полярность относительно "земли", поэтому напряжение между проводами пары в канале TDMS выше, чем в обычных линиях связи. Это повышает надёжность передачи информации.

Интерфейс DVI предназначен для подключения мониторов любого типа и реализуется в минимальном (только цифровом) и комбинированном (цифровом и аналоговом) вариантах. При реализации в комбинированном виде адаптер создаёт и обычные аналоговые сигналы управления монитором. Разъёмы для обоих вариантов реализации интерфейса показаны на рис. 5.13.

а)	б)
Рис. 5.13. Схема розеток разъёма DVI: цифрового (а) и комбинированного (б) вариантов

Контакты интерфейса собраны одну (рис. 5.13,а) или две (рис. 5.13,б) группы. Группа из 24 контактов включает в себя контакты каналов TDMS, а также канала DDC2 и линию питания +5В, питающую цепи идентификации дисплея (DDC2). В зависимости от реализации каналов TDMS контакты этой группы могут частично отсутствовать. Контакты аналогового интерфейса собраны в правую группу и разделены перегородкой.

Существуют разновидности DVI, в которых возможна передача двухканального стерео звука.

Дальнейшим развитием интерфейса DVI является мультимедийный интерфейс высокой четкости HDMI (High Definition Multimedia Interface). По сигналам видеочасть HDMI совместима с DVI, однако разъём HDMI отличен от разъёма DVI. HDMI – дополняет DVI возможностью передачи многоканального звука, а также поддержкой HDCP (технологии защиты цифровых данных с высоким разрешением).

Пропускная способность HDMI достигает 5 Гбит/с. Этого достаточно для видеосигнала 1080p и двух каналов несжатого цифрового звука в формате PCM 48 кГц либо 5.1 каналов в Dolby Digital или DTS. Разъем HDMI более компактен, а сигнал можно передавать на расстояние до 15 м.

Технология защиты HDCP предоставляет возможность в зависимости от конкретного случая установить разные уровни защиты, благодаря чему она не ограничивает свободу обращения с видео данными в соответствии с действующим законодательством. HDCP не является защитой от копирования или средством ухудшения качества копий. Разрешены DVD-рекордеры, отложенный просмотр и многодисплейные системы, в которых имеет место разветвление сигналов. Разрешены также повторители и разветвители сигнала, совместимые по HDCP. Запрещены: копирование программ со снятой защитой, получение незащищенного цифрового потока или аналогового видео сигнала высокого разрешения.

5.4. Архитектура аудиоподсистемы

Работа со звуком сводится к записи звука, его редактированию и его воспроизведению. Особенностью этого процесса является трёхступенчатое преобразования звуковой информации:

· аналоговая информация → цифровая информация (данные);

· цифровая информация (данные) → цифровая выходная информация;

· цифровая выходная информация → непрерывная во времени информация, квантованная по уровням.

Структурная схема аудиоподсистемы приведена на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Структура аудиоподсистемы

Основой аудиоподсистемы является звуковой адаптер (звуковая карта). На неё возложены все функции управления звуковой информацией: приём сигналов, синтез сигналов, смешение сигналов и вывод сигналов. Вывод сигналов может осуществляться в аналоговой форме и в цифровой (на запись). Разумеется, все процессы, работающие со звуком, управляются процессором.

Воспроизводящие устройства имеют разную схему. Наиболее распространены стереосистемы, состоящие из двух динамиков. Существуют схемы с тремя, четырьмя и более динамиками, одним из которых является динамик низких частот, называемый сабвуфером.

Кроме звуковой карты в аудиоподсистему входят микрофон, динамики, внешние аудиоустройства (MIDI-устройства, внешние CD/DVD-плейеры, выходные усилители, гарнитуры – наушники с микрофоном и т.д.). Источниками звуковой информации являются также накопители на компакт-дисках и магнитные диски компьютера и локальной сети.

Входные сигналы, как правило, являются аналоговыми. Тем не менее, возможно формирования музыкальных записей программным способом из эталонов звучания различных инструментов. Этот способ называется MIDI. Для работы с внешними MIDI-устройствами звуковая карта имеет MIDI-порт со входом MIDI-In и выходом MIDI-Out. Звуковая карта может передать сформированный звуковой сигнал на запись в цифровой форме. Преобразование аналогового сигнала в сжатый звуковой формат выполняет специальная программа, которая называется кодеком. Она же выполняет и обратную операцию – извлечение звуковой информации из сжатого файла.

5.4.1. Звуковые карты

Звуковые карты – это звуковые адаптеры, т.е. устройства, предназначенные для подключения микрофонов и устройств воспроизведения звука к системной шине. Структура аналоговой традиционной звуковой карты показана на рис. 5.15. Основой звуковой карты является микшер, который смешивает аналоговые сигналы всех предусмотренных источников звуковой информации: синтезатора, плеера компакт-диска (CD), микрофона (Mic), цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и прочих (Line). Надписи CD In, Mic In, Line In обозначают входы соответствующих сигналов. Регуляторы R1 – R5 осуществляют регулировку уровней входных сигналов относительно друг друга, а регулятор R6 – регулировку уровня результирующего сигнала.

Рис. 5.15. Структурная схема традиционной аналоговой звуковой карты

Полученный сигнал может быть подан на усилитель и далее через выход Spc. Out на громкоговорители (динамики), на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) или на иной получатель звуковой аналоговой информации через выход Line Out.

Через цифровые интерфейсные микросхемы элементы звуковой карты связаны между собой и, через шину расширения, с системной шиной компьютера. По системной шине компьютера звуковая карта получает сигналы управления и дискретную звуковую информацию из оперативной памяти.

Синтезатор может быть двух видов: гармонический и MIDI. В первом случае аналоговый сигнал формируется как сумма синусоидальных сигналов разных частот и уровней, во втором из готовых образцов звучания музыкальных инструментов.

По мере развития цифровой техники аналоговые технологии со звуковых карт втеснялись и появились сначала карты Digital Ready, а потом и карты Digital Only. Карты Digital Ready имеют АЦП повышенной разрядности (18 и более) и ЦАП с разрядностью 16 бит. Аналоговый сигнал сначала преобразуется в цифровой, а затем уже обрабатывается микшером. ЦАП используется только для прослушивания сигнала. Для подключения входных и выходных уcтройств используются шины общего назначения (USB и FireWare) и специальные
интерфейсы.

Карты Digital Only используют только цифровые технологии и являются многоканальными системами большой разрядности с частотой квантования 48 кГц и выше. Подключение устройств происходит по уже упоминавшимся шинам USB и FireWare и специальным интерфейсам.

Основой плат Digital Only являются чипсеты, содержащие специализированные микросхемы, которые называются кодеками. Одним из самых известных чипсетов является чипсет АС'97, который включает в себя кодек контроллера, аудиокодеки обработки сигналов и модемный кодек.

Минимальный аудиокодек обработки сигналов выполняет функции аналогово-цифрового и цифроаналогового преобразования, микширования и аналоговый ввод и вывод звуковой информации для аудиосистемы и модема. Существуют аудиокодеки расширенных функций.

Структурная схема звуковой платы на основе кодеков АС'97 показана на рис. 5.16. Основой звуковой карты является минимальный аудиокодек, который для связи с внешними устройствами имеет аналоговые входы и выходы. Аудиокодек соединяется с системной шиной PCI через цифровой контроллер.

Рис. 5.16. Структура аудиосистемы на базе аудиокодека АС'97

Для расширения возможностей звуковой платы предусмотрен слот AMR/CNR, в который вставляется дополнительная карта с двумя кодеками: расширенным аудиокодеком AC'97 и кодеком модема MC'97. Связь между элементами звуковой карты осуществляется по шине с интерфейсом AC-Link.

5.4.2. Входные и выходные аудиоустройства

Микрофон является первичным средством ввода звуковой информации, без него невозможна звукозапись и, следовательно, не имеет смысла звуковоспроизведение. Изначально микрофоны были основаны на двух принципах действия: электродинамическом и электропроводном.

Электродинамические микрофоны имели мембрану, на которой была закреплена обмотка (катушка провода) и постоянный магнит. Колебания мембраны приводили к колебательным движениям обмотки в постоянном магнитном поле, вследствие чего в ней наводилась переменная электродвижущая сила.

Электропроводный микрофон использует изменение сопротивления постоянному току порошка из проводящего материала, например угля. Колеблющаяся мембрана то уплотняет порошок, снижая его сопротивление, то приводит его в исходное состояние с повышенным сопротивлением. Включив такое переменное сопротивление в цепь постоянного тока, можно получить переменный ток, сила которого зависит от положения мембраны.

В настоящее время существуют микрофоны, основанные на других принципах действия: пьезоэлектрические и конденсаторные. Основой пьезоэлектрических микрофонов является плоский параллелепипед или цилиндр из специального диэлектрика, подвергающийся воздействию механических сил F, при­ложенных к двум противоположным граням. На этих гранях создаётся напряжение, зависящее от деформации диэлектрика, обусловленное его поляризацией (смещением связанных зарядов) под действием деформации.

Конденсаторный микрофон имеет две разновидности: с металлизированной мембраной и с электретной мембраной. Он представляет собой две металлических пластины, одна из которых нанесена на мембрану методом металлизации. Колебания мембраны меняют расстояние Х между пластинами, вследствие чего меняется ёмкость конденсатора С(Х). При постоянном заряде конденсатора изменение ёмкости приводит к изменению напряжения на пластинах конденсатора.

Микрофон с металлизированной мембраной требует постоянного подзаряда конденсатора от источника питания. От этого недостатка свободен электретный микрофон, у которого мембрана является плёнкой из электрета – диэлектрика, длительно сохраняющего поляризованное состояние.

Устройства вывода звуковой информации бывают трёх основных типов: наушники, гарнитуры, объединяющие в себе наушники и микрофон, и звуковые колонки. Звуковые колонки в настоящее время являются основным средством вывода звуковой информации. Независимо от мощности и качества звуковая колонка представляет собой корпус, в котором смонтированы два громкоговорителя, имеющих разные полосы эффективно воспроизводимых частот. Тем самым достигается хорошая частотная характеристика системы: сигналы разных частот в широком диапазоне воспроизводятся одинаково эффективно с учётом их восприятия человеческим ухом. Колонки низких частот называются сабвуферами, а работающие с ними обычные колонки – сателлитами. В зависимости от качества колонок их корпус выполняется или из пластмассы, или из дерева.

5.5. Принципы работы и организация портов

Порты – это аппаратные модули, предназначенные для подключения внешних устройств. В вычислительной технике используются следующие порты:

· последовательный COM-порт;

· параллельный LPT-порт;

· USB-порт;

· инфракрасный IrDA-порт (устарел, вытеснен Blue Tooth);

· радиоинтерфейс Blue Tooth;

· порты сетевых карт.

Порты могут входить в состав микросхем чипсета системной платы или выполняться в виде отдельных блоков, подключаемых к системной шине через разъёмы.

5.5.1. Принципы передачи данных

Классификация принципов передачи данных показана на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Классификация принципов передачи данных

Различают параллельный и последовательный коды. Параллельный код предусматривает передачу множества битов одновременно по параллельным проводам, последовательный – передачу множества битов последовательно во времени по одной паре проводов.

При передаче данных необходимо согласование во времени работы передатчика и приёмника. Синхронный способ передачи данных предусматривает использование специальных сигналов, которые называются сигналами синхронизации (синхроимпульсами). Асинхронный способ синхроимпульсы не использует, но применяет целую систему сигналов, сигнализирующих о том, что приёмник готов к приёму данных, данные готовы, данные приняты и т.д.

Существенным для производительности канала передачи данных является и способ создания логических единиц и нулей при кодировании. Статический способ предусматривает передачу единиц и нулей двумя уровнями сигнала: единица передаётся сигналом высокого уровня, ноль – низкого, или, наоборот, единица передаётся сигналом низкого уровня, ноль – высокого.

Более производительным способом кодирования является динамический способ. Он также использует два уровня, но логический ноль передаётся сигналом постоянного в течение некоторого времени уровня, а единица передаётся перепадом уровней, т.е. импульс передаёт комбинацию одной единицы и нескольких нулей, число которых зависит от длительности импульса.

При передаче данных код может быть искажён различными помехами или сбоями в работе различных передатчика и приёмника. Незащищённые коды не имеют никаких возможностей для проверки правильности передачи данных. Защищённые коды имеют возможность проверки правильности передаваемого кода и даже коррекции ошибок на основе избыточного кодирования.

Простейшим средством защиты кода является проверка кода на чётность. В этом случае к содержательным битам добавляется служебный бит, называемый битом паритета. Его содержимое устанавливается таким образом, чтобы в передаваемом коде (вместе со служебным битом) было чётное количество единиц. Более изощрённая защита предусматривает создание для каждого передаваемого байта непересекающиеся множества кодовых комбинаций.

5.5.2. Последовательный Com-порт

Последовательный Com-порт в настоящее время считается устаревшим, но всё ещё разрешён к применению современными компьютерами. Компьютер может иметь до четырёх Com-портов c именами Com1, Com2, Com3 и Com4. Они доступны по адресам 3F8h, 2F8h, 3E8h и 2E8h соответственно и используют по 8 смежных 8-битных регистров. Порты Com1 и Com3 могут создавать аппаратные прерывания IRQ4, а порты Com2 и Com4 – IRQ4. Порты используют разъёмы DB9P и DB25P. Современные порты имеют буферы данных, что позволяет существенно разгрузить центральный процессор.

Как следует из названия, Com-порт использует последовательный код, Передача данных – асинхронная. Внешние сигналы порта двуполярные и соответствуют стандарту RS-232. Гальваническая развязка порта и внешнего устройства не обеспечивается. Выходные сигналы передатчика должны быть в диапазоне -12 – -5В для логической единицы и +5 – +12 для логического нуля. Допускаются диапазоны уровней сигнала на входе приёмника до –12 – -3В и +3 – +12В соответственно. Распайка проводов и назначение сигналов приведено в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Назначение сигналов и распайка разъёмов интерфейса RS-232

Цепь	Контакт разъёма	Направ­ление	Назначение сигнала
DB-25P	DB-9P
PG			–	Защитная земля
SG			–	Сигнальная земля, относительно которой измеряются уровни
TD			O	Выход передатчика
RD			I	Вход приёмника
Продолжение табл. 5.1
Цепь	Контакт разъёма	Направ­ление	Назначение сигнала
RTS			O	Запрос передачи данных ("включено" – терминал имеет данные для передачи)
CTS			I	Разрешение терминалу передавать данные ("выключено" – запрет передачи данных)
DSR			I	Сигнал готовности от аппаратуры передачи данных
DTR			O	Готовность терминала к передаче данных
DCD			I	Сигнал обнаружения несущей удалённого модема
RI			I	Вход индикатора вызова (звонка)

Процесс обмена данными иллюстрируется рис. 5.18. Пунктиром показан уровень "отключен" (момент времени 1), осям времени соответствует уровень "включён". Предполагается, что аппаратура передачи данных (АПД), установленная в конце линии связи, имеет буфер данных. Установкой уровня "включён" сигнала DTR компьютер показывает, что он должен осуществить передачу или приём данных. Аналогичное действие с сигналом DSR в момент 2 выполняет АПД на другом конце линии связи. Этим она сообщает о готовности к обмену данных.

Рис. 5.18. Временная диаграмма обмена данными по Com-порту

В момент времени 3 и 9 установкой сигнала RTS компьютер заявляет о том, что он подготовил данные или готов принимать данные. Установкой сигнала CTS в моменты 4, 6, 10 АПД сообщает о готовности к приёму данных. В момент 4 в линии появляются данные от компьютера. В момент 5 АПД сбросом сигнала CTS сообщает, что буфер данных полон, и компьютер прекращает передачу данных. Установкой сигнала в момент 6 АПД сообщает, что можно продолжить передачу данных, и терминал снова выставляет данные в линию связи.

В момент 7 снятием сигнала RTS компьютер сообщает, что у него нет данных для передачи. В момент 8 АПД сбросом сигнала CTS подтверждает окончание приёма данных. В момент 9 компьютер установкой сигнала RTS сообщает о готовности к обмену данными, в момент 10 АПД установкой сигнала CTS сообщает о начале передачи данных и выставляет данные в линию связи. В момент 11 компьютер сбросом сигнала RTS сообщает о невозможности приёма данных. В момент 12 АПД сбрасывает сигнал CTS, подтверждая окончание передачи данных. В момент 13 компьютер сбросом сигнала DTR сообщает об окончании сеанса обмена данными. В момент 14 АПД сбросом сигнала DSR сообщает, что она сеанс связи завершила.

Передача байта в интерфейсе RS-232 показана на рис. 5.19. Передача данных начинается передачей стартового бита. За ним предаются 8 бит информации (0 – 7), после которых следует бит паритета (Р). Завершается передача данных стоп-битом. Для считывания данных приёмная аппаратура генерирует внутренние импульсы синхронизации, сдвинутые относительно передних фронтов передаваемых импульсов на половину их длительности.

Рис. 5.19. Передача одного байта в интерфейсе RS-232

Число передаваемых бит данных в разных системах колеблется от 5 до 8, количество стоп-бит – от 1 до 2.

Для асинхронного режима приняты стандартные скорости обмена данными 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с[21]. Скорость обмена данными и другие параметры этого процесса, например, использование бита паритета и количество передаваемых бит данных, задаются посредством конфигурирования порта.

Управление потоком данных осуществляется аппаратным и программным способом. Управление потоком данных предполагает посылку уведомления о возможности или невозможности передачи данных.

Аппаратный способ использует протокол RTS/СTS, который предусматривает прерывание посылки байтов при сбросе сигнала CTS. Реализация этого протокола осуществляется драйвером Int 14h, входящим в BIOS.

Программный способ основан на передаче сигнала RD, содержащего код 13h для остановки передачи данных и 11h для её возобновления. Эти коды называются сигналами XOFF и XON соответственно

5.5.3. Параллельный порт LPT

Параллельный LPT-порт изначально использовался для подключения принтеров, что и явилось причиной появления обозначения LPT. Его используют для подключения принтеров построчной и постраничной печати, сканеров, плоттеров, коммуникационных устройств, устройств хранения данных и электронных ключей. В настоящее время порт LPT считается устаревшим, но всё ещё разрешён к применению.

Аппаратно порт представляет собой набор регистров (рис. 5.20) ввода-вы­вода: регистр данных (DataRegister), регистр стауса (StatusRegister) и регистр управления (ControlRegister), адресующихся относительно базового (BASE) адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Начала регистров статуса и управления сдвинуты относительно BASE-адреса на 1 и 2 байта соответственно.

Рис. 5.20. Базовый порт LPT (символ "\" означает инверсию сигнала)

С внешней части порт имеет 8-битную шину данных Data0 – Data7,
5-битную шину сигналов состояния SR3 – SR7 и 4-битную шину сигналов управления CR0 – CR3, выведенные на розетку разъёма DB-25S. Выводы шин статуса и управления имеют следующее назначение:

· SR3 – сигнал ошибки (низкий уровень соответствует любой ошибке принтера);

· SR4 – сигнал включения принтера (высокий уровень – принтер включён);

· SR5 – конец бумаги (высокий потенциал соответствует окончанию бумаги);

· SR6 – создание запроса на прерывание (отрицательный перепад сигнала);

· SR7 – сигнал "Занят" (низкий уровень разрешает передачу очередного байта);

· CR0 – стробирование выходных данных (выделение короткого интервала времени для передачи данных данных

· CR1 – сигнал автоматического перевода строки по приёму символа "возврат каретки" (низкий уровень – автоматический перевод включён);

· CR2 – сигнал аппаратного сброса принтера по получению низкого потенциала;

· CR3 – разрешение работы принтера по интерфейсу Centronix.

Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания IRQ7 или IRQ5. На уровне BIOS порт имеет поддержку поиском установленных портов во время теста POST и сервиса печати Int 17h.

Позднее появились расширения порта: двунаправленный параллельный порт, порт с прямым доступом к памяти, порт Fast Centronix с аппаратной реализацией протокола Centronix. Позднее появились другие модификации LPT-порта. В связи с тем, что LPT-порт устарел, в настоящем пособии подробно он не рассматривается.

5.5.4. USB-порт

Порт USB в настоящее время является наиболее перспективным портом, несмотря на ряд недостатков по сравнению с Com-портом. Его удобство и производительность делают его привлекательным для разработчиков вычислительной техники. Физический уровень USB-системы обмена данными включает в себя два управляющих устройства, которые называются драйверами, и среду передачи данных (кабель или радиолинию). В паре драйверов один является ведущим (Downstream), а второй ведомым (Upstream). Эти драйверы имеют разную структуру, которая будет описана ниже.

Интересна возможность подключения и отключения внешних устройств во время работы компьютера. Заслуживает внимания и поддержка размножения USB-порта с помощью USB-хабов. При этом образуется древовидная иерархическая структура портов (рис. 5.21).

Уровень хоста

Уровень 1

Уровень 2

Уровень 3

Дата добавления: 2015-04-25