Способы передачи данных в компьютерах

В компьютерных линиях связи используются два способа передачи:

– параллельный, когда передаются одновременно все биты машинного слова;

– последовательный, когда биты передаются поочередно, начиная с младшего.

Параллельная передача данных

Для одновременной передачи нескольких сигналов, очевидно, требуется линия связи, количество проводников в которой совпадает с числом передаваемых сигналов. Такая линия связи называется шиной. Количество проводников определяет ширину или разрядность шины. Например, во внутренних линиях компьютера могут использоваться 16-ти и 32-х разрядные шины.

Параллельный способ передачи данных обеспечивает наиболее быстрый способ передачи информации и используется во внутренних линиях связи ЭВМ, а также для связи с внешними устройствами, подключаемыми к параллельному порту компьютера. Недостатками параллельного канала связи являются:

– невозможность передачи на большие расстояния (более нескольких метров), поскольку из-за электроемкости между проводниками в них возникают наводки;

– данный способ требует многожильных специальных проводов для связи, что существенно повышает стоимость линии.

Последовательная передача данных

Для передачи информации на большие расстояния используется последовательный способ передачи. Возможны два режима последовательной передачи: синхронный и асинхронный.

При синхронной передаче каждый передаваемый бит сопровождается импульсом синхронизации, информирующим приемник о наличии в линии информационного бита. Синхронизирующие импульсы управляют приемом информации. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода, два из которых экранированные: один — для передачи данных, второй — для передачи синхроимпульсов, третий — общий заземленный. Кроме того, такая передача оказывается целесообразной, если передается некоторый массив символов (не отдельные символы). Оба перечисленных обстоятельства приводят к тому, что синхронный способ связи не получил широкого распространения.

Асинхронный способ передачи не требует синхронизации действий приемника и передатчика — поэтому для связи достаточно линии из двух проводников, в том числе пригодны и телефонные линии. При этом источник и приемник информации должны быть согласованы по формату и скорости передачи.

Передача производится машинными словами (информационными битами), дополненными несколькими служебными. Пример передачи 8-битного слова с одним контрольным битом представлен на рис. 29.

Рис. 29 Пример передачи 8-битного сообщения

Передатчик может начать пересылку в любой момент посредством генерации стартового бита — по нему приемник узнает, что передача началась. Затем происходит передача информационных битов, начиная с младшего (0-го). За ними передается контрольный бит четности. Наконец, за ним следует стоповый бит (их может быть два), который вновь переводит линию в состояние ожидания. Вся передаваемая цепочка сигналов от стартового до стопового бита называется кадром.

Передача следующего кадра может начаться сразу после стопового бита, причем, новый стартовый бит может быть послан в любой момент времени (не обязательно кратный ) — поэтому передача и называется асинхронной.

Безусловно, данная схема передачи требует предварительного согласования передатчика и приемника по продолжительности элементарного сигнала. Кроме того, для обеспечения максимальной защищенности сигнала от искажений приемник настраивается на считывание бита в середине его длительности.

Помимо информационных и контрольных битов в последовательном способе передачи кадр, как было сказано, дополняется еще двумя-тремя граничными битами. Это, естественно, приводит к увеличению избыточности кода и суммарной времени передачи. Поскольку биты передаются по очереди, скорость передачи ниже, чем в параллельном способе (при одинаковых частотах генераторов). Тем не менее, и в последовательных линиях скорость может достигать нескольких Гбит/с — такой скорости более чем достаточно для передачи, например, телевизионного сигнала. При этом неоспоримым преимуществом данного способа является то, что в нем, практически, нет ограничений на дальность передачи.

Связь компьютеров по телефонным линиям

Применение телефонных линий или радиоканала для осуществления связи между удаленными на большие расстояния компьютерами диктуется, в первую очередь, экономическими соображениями — в противном случае понадобилась бы прокладка специальных компьютерных линий и содержание служб, поддерживающих их работоспособность. Использование двухпроводных линий и большие расстояния однозначно определяют способ передачи — последовательный. Однако телефонные линии предназначены для передачи аналоговых электрических сигналов с частотой человеческого голоса (до 3400 Гц). При передаче по таким линиям сигналов с частотами, на которых работает компьютер (100–500 МГц), они будут испытывать значительные искажения и быстро затухать. По этой причине передача осуществляется в соответствии со схемой, приведенной на рис. 30.

Рис. 30 Схема связи компьютеров по телефонным линиям

На передающем конце линии связи сначала осуществляется преобразование параллельного компьютерного кода в асинхронный последовательный. Затем посредством другого устройства — модема — производится модуляция (преобразование) двухуровневых импульсных компьютерных сигналов в аналоговые сигналы, которые без большого затухания и искажения могут распространяться в телефонных линиях. На приемном конце происходит обратная цепочка: аналоговый сигнал переводится модемом в двухуровневый последовательный код (происходит демодуляция), у которого затем удаляются все неинформационные биты и он преобразуется в параллельный код.

Асинхронный преобразователь располагается в самом компьютере в виде блока, осуществляющего обмен последовательным способом с любым устройством — этот блок называется последовательным портом (СОМ-портом). В модеме может использоваться амплитудная, частотная или фазовая модуляция электрических аналоговых сигналов.

При передаче данных по последовательным линиям связи возможны три режима: симплексный, полудуплексный и дуплексный. Симплексная линия обеспечивает передачу только в одном направлении, например, от датчика к устройству обработки. Полудуплексная связь обеспечивает передачу и получение информации в обоих направлениях, но не одновременно — передает один модем, другой в это время получает, затем они могут поменяться ролями. Дуплексная связь обеспечивает передачу и получение данных в обоих направлениях одновременно. Поскольку связь осуществляется по двухпроводной телефонной линии, приходится для связи в обратном направлении использовать другие частоты.

Глава 5 ЭВМ — ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО ИНФОРМАТИКИ

5.1 Понятие об ЭВМ

В настоящее время в качестве технических средств информатики выступают вычислительные системы, базовым элементом которых является персональный компьютер, который стал обязательным атрибутом в любом современном офисе. Полезно вспомнить слова В. М. Глушкова о том, что «электронные цифровые машины с программным управлением представляют собой пример одного из наиболее распространенных в настоящее время типов преобразователей дискретной информации, называемых дискретными или цифровыми автоматами».

F ЭВМ — это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и передачи информации.

Основные принципы структурной организации ЭВМ (архитектуры) были разработаны американским математиком Джоном фон Нейманом.

Первый принцип — принцип произвольного доступа к основной (оперативной) памяти, состоящей из ячеек. Принцип гласит о том, что процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка, причем время доступа (чтения или записи) одинаково для всех ячеек. Чтобы обеспечить такой доступ, ячейки памяти обязаны иметь свои уникальные имена. Этими именами являются номера ячеек.

Второй принцип — принцип хранимой программы. Программа решения задачи хранится в оперативной памяти наряду с обрабатываемыми данными. В принципе ЭВМ не различает, что именно хранится в данной ячейке памяти — число, символ или команда. Для решения другой задачи требуется смена в оперативной памяти программы и обрабатываемых данных. Таким образом, ЭВМ представляет собой универсальный инструмент обработки информации, т. е. ЭВМ является программно-управляемым цифровым автоматом для переработки и преобразования дискретной информации. Это означает, что:

1. Вся подаваемая на вход ЭВМ информация (текстовая, графическая, числовая и т. п.) должна быть представлена в двоичном виде;

2. ЭВМ может работать только по заранее разработанной программе (последовательности специальных команд, выполняемых одна за другой), которая вводится в память ЭВМ или хранится в ней.

Основными составными частями ЭВМ являются управляющие, исполнительные и вспомогательные устройства (рис. 31).

F Управляющие устройства (устройства управления) формирует последовательность управляющих сигналов для выборки из памяти и выполнения в арифметико-логическом устройстве очередной команды программы.

Машинная команда представляет собой двоичный код и состоит из двух частей: операционной и адресной.

F Операционная часть команды — это группа разрядов в коде команды, предназначенная для представления кода операции в ЭВМ.

F Адресная часть — это группа разрядов в коде команды, содержащих адреса ячеек оперативной памяти ЭВМ, в которых хранятся данные, используемые при выполнении данной операции. Часто эти адреса называют адресами операндов данной команды (операции).

В зависимости от структуры адресной части команды УУ ЭВМ делятся на трехадресные, двухадресные, одноадресные (рис. 32).

Современные ЭВМ выполняют несколько сотен различных команд. Например, стандартный набор современных ПК содержит около 240 машинных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

– операции пересылки данных внутри ЭВМ;

– арифметические операции;

– логические операции;

– операции обращения к внешним устройствам;

– операции передачи управления;

– обслуживающие и вспомогательные опреации.

F Исполнительные устройства (устройства исполнения) — это основные устройства, необходимые для выполнения команд программы, такие как арифметико-логическое устройство (АЛУ), внутренняя (оперативная) память и устройства ввода-вывода информации.

F Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации.

Оно характеризуется набором элементарных выполняемых операций, временем их выполнения и средним быстродействием. Важной характеристикой АЛУ является система счисления, в которой осуществляются все действия. Устройство управления и АЛУ в современных компьютерах объединены в один блок — процессор. В его функцию входит выполнение программ, находящихся в основной памяти, путем выборки, проверки и последовательного выполнения составляющих их команд. Центральный процессор содержит высокоскоростную память для запоминания промежуточных результатов и управляющей информации. Эта память состоит из регистров, каждый из которых имеет определенное назначение. Одним из регистров является счетчик команд, указывающий адрес команды, которую необходимо выполнить следующей. Регистр команд содержит текущую выполняемую команду. Центральный процессор выполняет каждую команду в виде последовательности простых операций:

– выбор очередной команды из основной (оперативной) памяти в регистр команд;

– изменение в счетчике команд, чтобы он указывал на адрес
команды, следующей за выбранной;

– определение типа выбранной команды;

– проверка, требуются ли для выполнения выбранной команды какие-либо данные, и если они нужны, то определение их места нахождения в памяти;

– загрузка во внутренние регистры центрального процессора требуемых данных из памяти;

– выполнение команды;

– запоминание результатов выполнения команды в заданных ячейках памяти;

– переход к первому действию для выполнения следующей команды.

Такое описание функционирования центрального процессора по существу представляет программу, написанную на каком-либо языке программирования.

F Память (запоминающее устройство) — предназначена для хранения и (или) выдачи входной информации, промежуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации, программ решения задач.

Память — это часть ЭВМ, где хранятся программы и данные. Память состоит из ряда ячеек (наименьшая адресуемая единица памяти), каждая из которых может хранить данные. Каждой ячейке соответствует число, называемое ее адресом, при помощи которого программа может к ней обращаться. Если в памяти ячеек, то они имеют адреса от до . Все ячейки памяти содержат одинаковое число битов. Если в ячейке битов, то она может содержать любую из их комбинаций. Центральный процессор связан с основной памятью при помощи, как минимум, двух регистров — регистра адреса памяти и буферного регистра. Для того, чтобы считать из памяти содержимое ячейки, центральный процессор загружает адрес этой ячейки в регистр адреса памяти и посылает памяти сигнал чтения. Память начинает обработку и после некоторого времени помещает содержимое запрашиваемой ячейки в буферный регистр, где оно доступно центральному процессору для последующей обработки. Для того, чтобы записать данное в память, центральный процессор записывает адрес ячейки памяти в регистр адреса памяти и записываемое данное в буферный регистр, а затем сигнализирует памяти о начале операции записи. Основные параметры, характеризующие память, — емкость и время обращения к памяти.

F Емкость памяти — количество бит или байт информации, которое можно записать в памяти.

F Время обращения — интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти).

F Вспомогательными устройствами ЭВМ могут быть всевозможные дополнительные средства, улучшающие или расширяющие возможности базового состава вычислительной машины.

Примером вспомогательного устройства является накопитель на жестком магнитном диске (внешняя память), когда двоичные коды данных размещаются посредством магнитной головки на дорожках магнитной поверхности. Адресация к определенному файлу накопителя осуществляется через корневой каталог — своеобразное оглавление магнитного диска, размещенное на строго определенных дорожках и содержащее сведения о каждом хранимом файле (имя, размер в байтах, дата и время создания или последнего изменения). Если содержимое каталога вывести на экран монитора, то можно просмотреть содержимое диска.

Приведенная выше классическая структура ЭВМ соответствует компьютерам 2-го поколения. Особенности структуры современных компьютеров:

1. Контроллеры внешних устройств. Контроллер представляет собой специализированный процессор, управляющий работой соответствующего внешнего устройства. Результаты работы контроллера могут быть в любой момент использованы центральным процессором.

2. Дисплей и видеопамять. Для хранения кодовых данных картинки экрана между ним и центральным процессором используется промежуточная видеопамять. Контроллер дисплея выводит ее данные на экран в соответствии со своей программой работы.

3. Прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот (режим прямого доступа к памяти — ПДП) с применением специального контроллера.

4. Общая шина (часто ее называют магистралью). Она используется для связи между отдельными функциональными узлами компьютера и состоит из трех частей:

– шина данных, по которой передается информация;

– шина адреса, определяющая, откуда и куда передаются данные;

– шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Характерные тенденции развития компьютеров:

– расширяется и совершенствуется набор внешних устройств;

– многопроцессорность — помимо центрального в компьютере могут быть специализированные процессоры;

– параллельные вычисления усложняют структуру ЭВМ;

– использования компьютера и для логического анализа информации.

– возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций — совместная обработка данных компьютерной сетью.

5.2 Архитектура персонального компьютера

F Персональный компьютер (ПК) — это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Структуру самого распространенного в настоящее время IBM PC-подобного компьютера составляют (рис. 33):

– микропроцессор;

– генератор тактовых импульсов;

– системная шина;

– основная пмять;

– внешняя память;

– источник питания;

– таймер;

– и внешние устройства.

Рис. 33 Структурная схема персонального компьютера

F Микропроцессор является центральным блоком ПК, предназначенным для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций.

У центрального процессора два основных предназначения: координирование всех операций компьютера и выполнение арифметических и логических опреаций над введенными данными. Руководствуясь инструкциями, выполняемой в настоящий момент компьтерной программы, микропроцессор решает, какие операции и в каком порядке выполнять, обеспечивая выполнение каждого действия соответствующими последовательностями сигналов.

При выполнении программы, содержащейся в основной памяти, микропроцессор последовательно считывает каждый оператор этой программы, определяет предписание этого оператора, осуществляет выборку потребных данных и формирует последовательность управляющих сигналов для соответствующей обработки этих данных.

В состав микропроцессора входят:

1. Устройство управления (УУ) — на основе опорной последовательности импульсов от генератора тактовых импульсов формирует и подает во все блоки компьютера в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), а также формирует адреса ячеек памяти в ходе выполняемой операции и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией.

3. Микропроцессорная память (МПП) — обеспечивает высокое быстродействие ЭВМ и служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины.

4. Интерфейсная система микропроцессора — реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.

F Генератор тактовых импульсов вырабатывает тактовые импульсы, посредством которых обеспечивается синхронная работа всех устройств компьютера.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы.

F Системная шина — это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает:

– кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

– кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

– кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ПК;

– шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

– между микропроцессором и основной памятью;

– между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

– между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

F Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими устройствами ПК.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: ПЗУ и ОЗУ. ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации (изменить информацию в ПЗУ нельзя). ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

F Внешняя память используется для долговременного хранения больших объемов любой информации (в том числе и программного обеспечения компьютера), которая может когда-либо потребоваться для решения задач.

Наиболее внешними запоминающими устройствами (ВЗУ) являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), накопители на магнито-оптических дисках (МО), компакт–дисках (CD-ROM) DVD-дисках (DVD-ROM) и др.

F Источник питания —это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

F Таймер — это внутренние электронные часы с автономным питанием.

F Внешние устройства (ВУ) обеспечивают взаимодействие ЭВМ с внешней средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ.

По назначению можно выделить следующие виды ВУ:

– ВЗУ или внешняя память ПК (см. выше);

– диалоговые средства пользователя;

– устройства ввода данных;

– устройства вывода данных;

– средства связи и коммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода данных.

К устройствам ввода информации относятся:

– клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

– графические планшеты (диджитайзеры) — для ручного ввода графической информации в ПК;

– сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

– манипуляторы (устройства указания): джойстик, мышь, трекбол, световое перо и др. — для ввода графической информации на экран дисплея и в ПК;

– сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

– принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

– графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям.

К системной шине и к микропроцессору ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы, расширяющие и улучшающие его функциональные возможности: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Конструктивно элементами базовой (типовой) конфигурации персонального компьютера являются:

– системный блок (в нем хранятся внутренние устройства);

– монитор (для выдачи текстовой или графической информации) — это главное устройство визуального представления данных;

– клавиатура (для ввода символов и команд) служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления и входит в состав базовой системы ввода-вывода (BIOS);

– манипуляторы (для ввода команд).

В состав системного блока входят: корпус, блок питания, системная (материнская) плата, которая является основной частью компьютера. На ней располагаются основные электронные элементы компьютера: системная и локальные шины, микропроцессор, оперативная память, дополнительные микросхемы.

Основным устройством вывода графических изображений в компьютере является монитор (дисплей). Работой дисплея управляет видеоконтроллер (видеокарта). Процесс получения изображения на экране представлен на рис. 34 а.

F Режим работы программы, в котором на экран выводится графическая информация, называется графическим режимом.

Монитор вычислительной системы является устройством для визуального отображения информации. Сигналы на монитор (числа, символы, графическая информация, сигналы синхронизации) формируются специальным устройством, называемым видеокартой. Монитор и видеокарта представляют собой пару, согласованная настройка которой обеспечивает оптимальную работу вычислительного комплекса.

Компьютер работает с информацией, хранящейся в его памяти в двоичном коде. Всякое изображение на экране — это отражение информации, хранящейся в памяти компьютера и получившей название видеоинформации. Вывод на экран происходит в результате передачи видеоинформации контроллеру монитора: информация записывается в видеопамять и сразу же воспроизводится на экране в результате работы дисплейного процессора, управляющего работой монитора. Таким образом, видеопамять является своеобразным буфером между ОЗУ и дисплеем. Смена картинки на экране является следствием изменения содержимого видеопамяти.

Для ввода изображения с экрана в компьютерную память используется обратный процесс (рис. 34 б). Сканер преобразует каждый элемент картинки экрана в двоичный код, который пересылается для хранения в память компьютера.

Существуют два режима работы отображения данных: текстовый и графический. В текстовом режиме AN (alphanumeric) экран представляет собой набор строк и столбцов, причем каждому отдельному знакоместу соответствует матрица пикселов. В графическом режиме можно управлять каждым отдельным пикселом экрана. Эта способность отображения позволила получать на экране образы различных геометрических фигур.

F Пиксел (Picture Element) — это минимально отображаемый элемент растра экрана монитора.

F Количество горизонтальных и вертикальных линий экрана, которые способен отобразить монитор, называется разрешением экрана (Resolution).

Чем больше пикселов на экране, тем выше его разрешающая способность. Имеется большое количество модификаций видеокарт, различающихся конструкцией, параметрами и стандартами изображения.

В современных ПК принят растровый способ формирования изображений: любая информация на экране представляет собой совокупность светящихся точек — пикселей (PIxEL — PIcture ELement — элемент растра). Каждый пиксель размещается в соответствии с координатами, определяющими его положение относительно левого верхнего угла экрана.

Наиболее важные электронные компоненты видеодисплея: контроллер (схема управления), электронно-лучевая трубка, программируемые порты ввода-вывода, матричное постоянное запоминающее устройство с таблицей знакогенератора и буферная видеопамять. Все схемы названных компонентов размещаются на одной печатной плате, которая называется дисплейным адаптером. Фирма IBM разработала и выпускает несколько вариантов плат дисплейного адаптера. В том числе, графический адаптер CGA (Color Grafics Adapter — цветной графический адаптер). Он позволяет формировать изображение из 160×100 пикселей. В более совершенных адаптерах EGA (Enchanced Graphics Adapter — улучшенный графический адаптер), VGA (Video Gate Array — видеографическая матрица) объем видеопамяти увеличен, что позволяет разместить на экране 640×480 пикселей и SVGA (Super Video Gate Array). Для формирования цветных изображений дисплей должен быть оснащен цветной электронно-лучевой трубкой. Для работы с конкретным адаптером разрабатывается специальная программа, называемая драйвером.

F Драйвер — это специальная программа управления техническим средством ПК.

Полученное на экране изображение можно считать с экрана и запомнить, а затем снова воспроизвести на экран. Его можно отпечатать после запуска программы, обеспечивающей эту возможность.

Многие графические процедуры и функции используют внутренний указатель текущей позиции на экране, который в отличие от текстового курсора невидим (в алфавитно-цифровом режиме на экране монитора находится мигающий курсор в точке появления очередного символа). Положение этого указателя, как и любые координаты на графическом экране, задается относительно левого верхнего угла, который имеет координаты 0,0. Горизонтальная координата увеличивается слева направо, а вертикальная — сверху вниз.

5.3 Представление данных в компьютере

Дата добавления: 2014-01-07