ВишняковВ_Интерфейсы периферийных устройств

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Рыбинская государственная авиационная технологическая
академия им. П.А. Соловьева
Факультет радиоэлектроники и информатики
Кафедра
Вычислительные системы
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета РЭИ
__________ А.И.Дворсон
РА Б О Ч А Я
По дисциплине
П Р О Г РА М М А
Интерфейсы периферийных устройств
для направления 230100 – Информатика и вычислительная техника
для специальности 230101 – Вычислительные машины, комплексы,
системы и сети
Распределение часов
Форма обучения
Лекции
Практические занятия
Лабораторные занятия
Индивидуальные занятия
Самостоятельная работа
в т.ч. курсовая работа
Всего часов
Форма контроля
Очная
Очнозаочная
на базе ПСО
на базе СПО
51
–
34
–
85
36
–
36
–
98
170
экзамен
170
экзамен
Заочная
на базе ПСО
на базе СПО
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
6
6
–
–
158
–
–
–
–
170
экз., защ.
Программу составил к.т.н. профессор _____________________ В. А. Вишняков
Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры Вычислительные
системы 28 июня 2005 г.
Заведующий кафедрой к.т.н. профессор ____________________ В. М. Комаров
Согласовано Декан ФЗО _________________________________ М. А. Кабешов
Рыбинск 2005
Настоящая программа составлена в соответствии с Государственным
стандартом высшего профессионального образования и Учебным планом подготовки специалиста по направлению 220100 (230101).
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель преподавания дисциплины заключается в получении студентом знаний современных интерфейсов периферийных устройств, принципов функционирования периферийных устройств, приобретение умений по разработке систем ввода – вывода информации.
Задачами изучения дисциплины являются:
– получение знаний о функциональных особенностях, принципах работы,
электрических и кинематических схемах, конструкции периферийных
устройств;
– приобретение знаний об организации, структуре, протоколах обмена и
характеристиках интерфейсов периферийных устройств;
– приобретение умения по разработке по разработке специализированных интерфейсов для информационных систем.
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение
Цель и задача дисциплины. Место в программе подготовки инженера по
специальности Вычислительные машины, комплексы, системы и сети. Порядок
изучения дисциплины. Литература.
1.1. Периферийные устройства – составная часть ЭВМ.
Структура, центральные и периферийные части ЭВМ. Функция и классификация периферийных устройств. Канал обмена информацией в вычислительной системе, функции контроллеров и их техническая реализация.
Стандартные интерфейсы – ISA, PCI, AGP, SCSI, USB. Связные интерфейсы – RS-232, Centronics, RS-485, интерфейсы IDE, GPIB.
1.2. Классификация и характеристика интерфейсов.
Системные, локальные, приборные интерфейсы и интерфейсы периферийных устройств. Архитектура связи периферийных устройств с ядром ЭВМ.
Параллельные и последовательные способы обмена информацией по шинам и
линиям, направления передачи. Типы синхронизации в интерфейсах. Асинхронный и синхронный виды последовательного обмена. Особенности режимов
передачи информации: программного, с прерываниями, захвата шин, прямого
доступа к памяти.
1.3. Организация интерфейсных контроллеров.
Структура программного интерфейса. Управляющее слово и слово состояния, синхронный интерфейс. Асинхронный интерфейс. Структура интерфейса
по прерыванию. Характеристики системы прерывания. Определение источника
3
прерывания. Схема интерфейса по прерыванию. Организация интерфейса с
прямым доступом в память. Микросхемы контроллеров.
1.4. Шина расширения PCI.
Основные особенности шины PCI. Линии шины. Цикл обмена на шине.
Команды шины. Прерывание и захват шины. Конфигурация устройств подключенных к шине.
1.5. Шины AGP, LPC, SCSI, IDE.
Магистральный интерфейс AGP, интерфейс LPC. Шина SCSI: основные
особенности, линии, диаграммы асинхронного и синхронного обмена. Особенности интерфейса IDE.
1.6. Шина USB.
Организация шины. Типы передачи данных. Протокол обмена. Форматы
пакетов и транзакций. Стандартные команды хоста устройству. Стандартные
дескрипторы USB.
1.7. Связные последовательные интерфейсы.
Передача сигналов по двухпроводным линиям, скорость передачи. Стандартный интерфейс RS – 232C. Интерфейсы RS–422, RS–485. Интерфейс «токовая петля».
1.8. Особенности проектирования контроллеров систем ввода-вывода
аналоговой информации.
Методы аналого-цифрового преобразования. Преобразователь временного интервала в цифровой код. АЦП, использующие временное преобразование.
Преобразователи параллельного двоичного кода в напряжение и напряжениекод. Аналоговые фильтры, усилители и приемопередатчики.
1.9. Внешние запоминающие устройства.
Структура и характеристики внешней памяти. Принципы магнитной записи. Накопители на жестких и гибких магнитных дисках. Методы кодирования,
синхронизации и позиционирования. Оптические запоминающие устройства.
1.10. Дисплеи.
Характеристика дисплеев. Мониторы с ЭЛТ, параметры и формат сигналов. Мониторы с плоским экраном. Видеоадаптеры. Клавиатура, мышь.
1.11. Средства ввода-вывода графической информации.
Полуавтоматические (дигитайзеры) и автоматические устройства ввода.
Сканеры. Распознавание изображений. Печатающие и графические регистрирующие устройства. Лазерные и струйные принтеры, плоттеры.
1.12. Устройства ввода-вывода звуковой информации.
Структура речевого сигнала. Фонемы, спектрограммы. Распознавание
звуков. Устройства ввода речевой информации. Звукосинтезаторы, аудиокарты.
2. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАН ЯТИЙ
2.1. Клавиатура.
2.2. Видеосистема.
2.3. Накопитель на жестких магнитных дисках.
4
2.4. Сканер.
2.5. Принтер.
2.6. Мышь.
2.7. Графопостроитель.
3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Тематика курсовой работы связана с разработкой «Модуля ввода-вывода
информации», подключаемого к шине USB персонального компьютера (Вишняков В.А. Интерфейсы периферийных устройств: Методические указания к
выполнению курсовой работы. – Рыбинск, РГАТА, 2004). Варианты заданий
различаются характером каналов ввода-вывода, параметрами и режимами взаимодействия с хостом ЭВМ.
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ПЕРЕЧЕНЬ ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Основной
4.1. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. – СПб.: Питер,
2003.
4.2. Пескова С.А., Гуров А.И., Кузин А.В. Центральные и периферийные
устройства электронных вычислительных средств. – М.: Радио и связь, 2000.
4.3. Вишняков В.А. Периферийные устройства: Учебное пособие. – Рыбинск, РГАТА, 2001.
4.4. Вишняков В.А., Беляев О.А. Универсальная последовательная шина
USB: Пособие. – Рыбинск, РГАТА, 2004.
4.5. Вишняков В.А. Интерфейсы периферийных устройств. Методические
указания к выполнению лабораторных работ. – Рыбинск, РГАТА, 2005.
Дополнительный
4.6. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. –
СПб.: Питер, 2004.
4.7. Ларионов А.М., Горнец П.П. Периферийные устройства в вычислительных системах. – М.: Высшая школа, 1991.
4.8. Вишняков В.А. Интерфейсы периферийных устройств. Методические
указания к выполнению курсовой работы. – Рыбинск, РГАТА, 2004.
4.9. Вишняков В.А., Рахманин Д.А. Специализированное USB устройство
PDI USB D12: Пособие. – Рыбинск, РГАТА, 2004.
4.10. Вишняков В.А., Соколов С.Ю. Микроконтроллеры семейства
MCS-51: Пособие. – Рыбинск, РГАТА, 2004.
4.11. Эмулирующие программы пакетов информации при взаимодействии
хоста ЭВМ с устройствами. Локальная сеть кафедры ВС.
4.12. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Аппаратные средства PC. –
СПб.: БХВ – Петербург, 2004.
5
5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКА ЗАНИЯ СТУДЕНТАМ ПО ИЗУЧЕНИЮ
ДИСЦИПЛИНЫ
Изучению дисциплины предшествует изучение студентом дисциплин:
Информатика, электротехника и электроника, Программирование на ассемблере, Организация ЭВМ и систем, Микропроцессорные системы.
Начальное знакомство с дисциплиной в относительно компактной форме
может быть получено при изучении учебного пособия, отмеченного в п.4.3.
списка основной литературы. Достаточно полное и глубокое описание интерфейсов периферийных устройств может быть получено при изучении книги 4.1.
Современные периферийные устройства рассмотрены в пособии 4.5.
Для закрепления материала необходимо выполнить лабораторные работы,
основной перечень которых и описание приведено в пособии 4.5. Студент может
выполнить работы и вне аудитории, если у него имеется возможность ознакомиться с соответствующим лабораторным оборудованием вне стен академии.
Умение использовать полученные знания на практике подтверждается
студентом выполнением курсовой работы «Модуль ввода-вывода информации». В этой работе студент должен разработать модуль подключаемого к шине
USB персонального компьютера. При работе над курсовиком используется литература отмеченная в списке методических указаний (4.8), это прежде всего
пособия 4.4, 4.9, 4.10, а также эмулирующие программы пакетов информации
при взаимодействии хоста ЭВМ с устройствами 4.11.
Студент готов к сдаче экзамена по дисциплине, если изучил материал,
предусмотренный содержанием дисциплины, выполнил и отчитался за лабораторные работы, выполнил и защитил курсовую работу, проработал экзаменационные и ответил на контрольные вопросы.
6. СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ
6.1. Периферийные устройства – составная часть ЭВМ.
6.1.1. Структура современной ЭВМ. Центральная и периферийная части.
6.1.2. Характеристика и классификация периферийных устройств.
6.2. Классификация и характеристика интерфейсов.
6.2.1. Основные понятия об интерфейсах, их характеристики.
6.2.2. Архитектура связи, способы и направления передачи информации.
6.2.3. Типы синхронизации в интерфейсах.
6.2.4. Виды последовательного обмена.
6.2.5. Особенности программного режима обмена.
6.2.6. Особенности режима обмена с прерываниями.
6.2.7. Особенности режима захвата шин.
6.2.8. Особенности режима прямого доступа в память.
6.3. Организация интерфейсных контроллеров.
6.3.1. Управляющее слово и слово состояния, структура синхронного интерфейса.
6
6.3.2. Структура асинхронного программного интерфейса.
6.3.3. Характеристики системы прерывания.
6.3.4. Определение источника прерывания.
6.3.5. Схема интерфейса по прерыванию.
6.3.6. Организация интерфейса с прямым доступом в память.
6.4. Шина расширения PCI.
6.4.1. Основные особенности шины PCI, линии шины.
6.4.2. Цикл обмена по шине PCI.
6.4.3. Команды шины PCI.
6.4.4. Прерывание и захват шины PCI, конфигурация устройств.
6.5. Шины AGP, LPC, SCCI, IDE.
6.5.1. Магистральный интерфейс AGP.
6.5.2. Интерфейс LPC.
6.5.3. Основные особенности шины SCSI, линии шины.
6.5.4. Диаграммы асинхронного и синхронного обмена шины SCSI.
6.5.5. Интерфейс IDE.
6.6. Шина USB.
6.6.1. Организация шины USB, типы передачи данных.
6.6.2. Протокол обмена, форматы пакетов шины USB.
6.6.3. Форматы транзакций шины USB.
6.6.4. Стандартные команды хоста устройству USB.
6.6.5. Стандартные дескрипторы USB.
6.7. Связные последовательные интерфейсы.
6.7.1. Особенности передачи сигналов по двухпроводным линиям, скорость передачи.
6.7.2. Интерфейс RS-232C.
6.7.3. Интерфейсы RS-422, RS-485, токовая петля.
6.8. Особенности контроллеров систем ввода-вывода аналоговой информации.
6.8.1. Преобразователь временного интервала в цифровой код.
6.8.2. Преобразователь параллельного двоичного кода в напряжение.
6.8.3. Преобразователь напряжение-код поразрядного кодирования.
6.8.4. Аналоговые фильтры и усилители.
6.9. Внешние запоминающие устройства.
6.9.1. Принципы магнитной записи.
6.9.2. Характеристика и структура накопителей на жестких магнитных
дисках.
6.9.3. Методы кодирования и синхронизации в НМД.
6.9.4. Методы позиционирования в НМД.
6.9.5. Оптические ЗУ.
6.10. Дисплеи.
6.10.1. Мониторы с ЭЛТ.
6.10.2. Параметры и формат сигналов мониторов с ЭЛТ.
7
6.10.3. Мониторы с плоским экраном.
6.10.4. Видеоадаптер.
6.10.5. Клавиатура.
6.10.6. Мышь.
6.11. Средства ввода-вывода графической информации.
6.11.1. Дигитайзеры.
6.11.2. Сканеры.
6.11.3. Лазерные принтеры.
6.11.4. Струйные принтеры.
6.12. Устройства ввода-вывода звуковой информации.
6.12.1. Устройства ввода речевой информации.
6.12.2. Звукосинтезаторы, аудиокарты.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ТЕСТЫ САМОПРОВЕРКИ)
7.1. Нарисовать структуру современной ЭВМ, выделив периферийную
часть.
7.2. Какие типы синхронизации используют в интерфейсах? Объяснить
механизм взаимодействия передатчика и приемника информации.
7.3. Нарисовать временные диаграммы формата сигнала при различных
видах последовательной передачи данных.
7.4. Нарисовать структуру синхронного и асинхронного программного
интерфейса.
7.5. Привести схему интерфейса по прерыванию.
7.6. Привести схему интерфейса с прямым доступом в память.
7.7. Каковы основные особенности шины PCI?
7.8. Нарисовать временные диаграммы цикла обмена на шине PCI.
7.9. Отличительные особенности магистрального интерфейса AGP.
7.10. Характеристики шины SCCI.
7.11. Характеристика интерфейса IDE и временные диаграммы его функционирования.
7.12. Нарисовать протокол обмена и формата пакетов шины USB.
7.13. Укажите стандартные команды хоста устройству USB и стандартные дескрипторы USB.
7.14. Характеристика и функционирование интерфейса RS-485.
7.15. Нарисовать схему преобразователя напряжение-код поразрядного
кодирования.
7.16. Привести структуру и характеристики накопителя на жестких магнитных дисках.
7.17. Пояснить методы кодирования, синхронизации и позиционирования,
используемые в НМД.
7.18. Нарисовать структуру и привести параметры монитора с ЭЛТ.
7.19. Объяснить принцип функционирования монитора с плоским экраном.
7.20. Структура видеоадаптеров и их характеристики.
8
7.21. Принцип работы клавиатуры.
7.22. Объяснить принцип функционирования сканера.
7.23. Принцип работы и характеристики лазерного принтера.
7.24. Объяснить принцип работы струйного принтера.
7.25. Нарисовать схему устройства ввода речевой информации и объяснить ее работу.
9