Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование

Авдеев В. А.

œ≈–»‘≈–»…Õ¤≈ ”—“–Œ…—“¬¿:
ËÌÚÂÙÂÈÒ˚, ÒıÂÏÓÚÂıÌË͇,
ÔÓ„‡ÏÏËÓ‚‡ÌËÂ

Москва, 2009

Рекомендовано УМО вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 230101
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

УДК 681.3.06(07)
ББК
32.973
A18

А18
Авдеев В. А.

Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 848 с.: ил.

ISBN 9785940745051

В книге с энциклопедической полнотой рассматриваются периферийные устройства персонального компьютера; принципы действия и применения разнообразных шин (PCI, SCSI, USB, IEEE 1394, I2C, SATA, SAS,
PCI Express); интерфейсная схемотехника; интерактивные устройства
ввода; способы обмена данными, видеоадаптеры и мониторы; печатающие устройства, сканеры, жесткие диски, дисководы CD и DVD, преобразователи информации, модемы и т. д.
Приведены основные сведения по защите информации от ошибок
(коды Хэмминга, БЧХ и РидаСоломона). Показаны рисунки динамических моделей некоторых периферийных устройств и шин, поясняющие
принципы их работы. Изложены вопросы программирования некоторых
периферийных устройств на регистровом уровне и составлены функциональные графы вариантов программных заданий. Рассмотрены способы
построения пространственных интерфейсов ввода/вывода на базе микросхем коммутационных устройств.
Книга содержит большое количество схем и таблиц, способствующих
лучшему пониманию соответствующей информации. Главы в основном
имеют следующую структуру: основные терминологические определения, описание функциональных, аппаратных и параметрических классификационных признаков, справочное дополнение,  контрольные вопросы
и упражнения, список литературы.
Издание предназначено для студентов вузов и колледжей, изучающих
компьютерную технику, а также для преподавателей и инженернотехнических работников.

УДК 681.3.06(07)
ББК 32.973

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного
разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку
вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может
гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений.
В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

©
Авдеев А. В., 2009
ISBN 9785940745051
©
Оформление, ДМК Пресс, 2009

—Ó‰ÂʇÌËÂ

¬‚‰ÂÌË .........................................................................................10

√·‚‡ 1. ¡‡ÁÓ‚˚È ÍÓÏÔ¸˛ÚÂ. “ÂÏËÌÓÎӄˡ ................12
1.1. Типы шин .......................................................................................12
1.2. Центральная часть компьютера .....................................................17
1.3. Клавишное устройство ввода .........................................................21
1.4. Контроллер прямого доступа к памяти...........................................23
1.5. Контроллер гибкого диска ..............................................................25
1.6. Дисковод гибкого диска ..................................................................27
1.7. Жесткий диск .................................................................................30
1.8. Интерфейсы жесткого диска ..........................................................33
1.9. Системная шина с квитированием ............................................... 41
1.10. Шина расширения ...................................................................... 44
Контрольные вопросы .......................................................................... 48
Литература............................................................................................51

√·‚‡ 2. ÃÌÓ„ÓÛÓ‚Ì‚‡ˇ ÒËÒÚÂχ ¯ËÌ ............................52
2.1. Функциональная классификация шин...........................................52
2.2. Архитектура компьютера ...............................................................69
2.3. Базовая шина PCI .......................................................................... 74
2.4. Интерфейс SCSI..............................................................................86
2.5. Модель шины SCSI .......................................................................102
2.6. Шина USB ....................................................................................107
2.7. Модель шины USB ........................................................................132
2.8. Шина IEEE1394............................................................................145
2.9. Последовательный интерфейс SATA .............................................147
2.10. Последовательный интерфейс SAS.............................................151
2.11. Последовательный интерфейс PCI Express.................................153
Контрольные вопросы .........................................................................160
Литература..........................................................................................164

√·‚‡ 3. »ÌÚÂÙÂÈÒ̇ˇ ÒıÂÏÓÚÂıÌË͇ ...........................166
3.1. Основные определения.................................................................166
3.2. Способы обмена данными ............................................................174

Содержание
4

3.3. Дешифрация адреса .....................................................................182
3.4. Формирование управляющих сигналов .......................................188
3.5. Интерфейсные формирователи ....................................................191
3.6. Адаптер программного обмена .....................................................192
3.7. Интерфейс с мультиплексной шиной ...........................................196
3.8. Адаптер принтера.........................................................................201
3.9. Программа вывода данных на печать ..........................................204
3.10. Варианты заданий .....................................................................208
3.11. Энергонезависимая флэшпамять .............................................209
Контрольные вопросы .........................................................................213
Упражнения ........................................................................................216
Литература..........................................................................................217

√·‚‡ 4. ”ÒÚÓÈÒÚ‚Ó ñ ˆÂθ ¯ËÌ˚ PCI .............................218
4.1. Основные определения.................................................................218
4.2. Задание на проектирование цели.................................................221
4.3. Общий вид схемы цели .................................................................222
4.4. Схема приема адреса и команды ..................................................229
4.5. Цикл конфигурации .....................................................................232
4.6. Экспериментальная часть............................................................238
Контрольные вопросы .........................................................................242
Литература..........................................................................................242

√·‚‡ 5. œˇÏÓÈ ‰ÓÒÚÛÔ Í Ô‡ÏˇÚË .....................................243
5.1. Основные определения.................................................................243
5.2. Общие сведения ...........................................................................244
5.3. Контроллер ПДП ...........................................................................246
5.4. Внешний контроллер с режимом ПДП..........................................256
5.5. Упрощенная схема КПДП .............................................................262
5.6. Программирование КПДП ............................................................268
5.7. Варианты заданий .......................................................................272
Контрольные вопросы .........................................................................272
Литература..........................................................................................273

√·‚‡ 6. œÂËÙÂËÈÌ˚ ËÌÚÂÙÂÈÒ˚
‚‚Ó‰‡/‚˚‚Ó‰‡ ..............................................................................274
6.1. Последовательный интерфейс RS232 .........................................274
6.2. Асинхронная передача данных ....................................................280
6.3. Синхронная передача данных ......................................................282
6.4. Асинхронный передатчик ............................................................282
6.5. Асинхронный приемник ...............................................................284
6.6. Подключение портов УАПП к шине ..............................................286

Содержание

6.7. Морфологический граф заданий ..................................................288
6.8. Микросхема УАПП ........................................................................290
6.9. Модели схем последовательной передачи данных........................293
6.10. Параллельный интерфейс ..........................................................300
6.11. Программируемый периферийный интерфейс ..........................300
6.12. Адаптер последовательнопараллельного интерфейса...............305
6.13. Адаптер ISA/ИРПР ......................................................................306
6.14. Тестирование последовательного порта (УАПП) .........................315
6.15. Пример выполнения варианта задания .....................................321
6.16. Варианты заданий .....................................................................324
6.17. Интерфейс I2C .............................................................................326
6.18. Последовательный интерфейс EIA485 (RS485) ........................335
Контрольные вопросы .........................................................................338
Литература..........................................................................................340

√·‚‡ 7. «‡˘ËÚ‡ ‰‡ÌÌ˚ı ÓÚ Ó¯Ë·ÓÍ ................................342
7.1. Основные определения.................................................................342
7.2. Проверка четности .......................................................................346
7.3. Коды Хэмминга ............................................................................350
7.4. Справочное дополнение ...............................................................357
7.5. Циклический контроль .................................................................364
7.6. Коды БЧХ......................................................................................367
7.7. Коды РидаСоломона ....................................................................383
7.8. Каскадные коды ...........................................................................386
Упражнения ........................................................................................389
Контрольные вопросы .........................................................................390
Литература..........................................................................................393

√·‚‡ 8. œÓÒÚ‡ÌÒÚ‚ÂÌÌ˚ ËÌÚÂÙÂÈÒ˚
‚‚Ó‰‡/‚˚‚Ó‰‡ ..............................................................................394
8.1. Устройства связи вычислительных систем ..................................394
8.2. Назначение пространственных интерфейсов ..............................396
8.3. Структура данных КУ ...................................................................398
8.4. Элементная база пространственных интерфейсов ......................400
8.5. Структурная схема пространственного интерфейса ....................402
8.6. Матричное КУ ..............................................................................404
8.7. Трехкаскадное КУ .........................................................................405
8.8. Конфигурация многопроцессорной системы ...............................407
8.9. Общий принцип функционирования системы .............................410
Контрольные вопросы .........................................................................416
Справочное дополнение ......................................................................416
Литература..........................................................................................417

Содержание
6

√·‚‡ 9. »ÌÚÂ‡ÍÚË‚Ì˚ ÛÒÚÓÈÒÚ‚‡ ‚‚Ó‰‡ .................418
9.1. Основные определения.................................................................418
9.2. Типы клавиш ................................................................................419
9.3. Клавиатура PC/XT ........................................................................420
9.4. Клавиатура PC/AT ........................................................................423
9.5. Манипулятор мышь......................................................................436
9.6. Шаровые манипуляторы ..............................................................437
9.7. Ручки управления.........................................................................438
9.8. Программа «Коды клавиатуры» ....................................................440
9.9. Варианты заданий .......................................................................443
Справочное дополнение ......................................................................446
Контрольные вопросы .........................................................................449
Литература..........................................................................................450

√·‚‡ 10. ¬Ë‰ÂÓ‡‰‡ÔÚÂ˚ Ë ÏÓÌËÚÓ˚ ..........................451
10.1. Основные определения ...............................................................451
10.2. Типы видеоадаптеров .................................................................452
10.3. Типы мониторов .........................................................................454
10.4. Растровые мониторы ..................................................................455
10.5. Адаптер VGA ...............................................................................458
10.6. Текстовый режим .......................................................................460
10.7. Графический режим ...................................................................462
10.8. Видеопроцессоры, графические ускорители ..............................472
10.9. Дисплеи на жидких кристаллах..................................................474
10.10. Демонстрационные модели ......................................................483
10.11. Программа управления курсором .............................................485
10.12. Программа изучения знакогенератора.....................................501
10.13. Программа выполнения текстового режима.............................506
10.14. Программа выполнения графического режима ........................514
10.15. Видеокарты 3D .........................................................................521
Контрольные вопросы .........................................................................527
Литература..........................................................................................529

√·‚‡ 11. œÂ˜‡Ú‡˛˘Ë ÛÒÚÓÈÒÚ‚‡ ..................................530
11.1. Классификация принтеров.........................................................530
11.2. Лазерные принтеры ...................................................................532
11.3. Светодиодные принтеры ............................................................538
11.4. Струйные принтеры ...................................................................545
11.5. Матричные принтеры ................................................................547
11.6. Адаптер принтера .......................................................................552
11.7. Программа вывода данных на печать.........................................555
11.8. Варианты заданий .....................................................................560

Содержание

Контрольные вопросы к теме «Лазерный принтер» .............................560
Литература..........................................................................................562

√·‚‡ 12. ”ÒÚÓÈÒÚ‚‡ ‚‚Ó‰‡ Ë „ËÒÚ‡ˆËË
ËÌÙÓχˆËË .................................................................................563
12.1. Дигитайзеры ..............................................................................563
12.2. Графопостроители ......................................................................565
12.3. Сканер. Основные определения .................................................568
12.4. Структурная схема сканера ........................................................570
12.5. Принцип действия сканера ........................................................577
12.6. Электронный учебник «Сканер»..................................................580
Контрольные вопросы .........................................................................584
Литература..........................................................................................586

√·‚‡ 13. œË̈ËÔ˚ χ„ÌËÚÌÓÈ Á‡ÔËÒË ..........................587
13.1. Магнитные ленты .......................................................................587
13.2. Дисковые накопители.................................................................588
13.3. Магнитные головки ....................................................................592
13.4. Методы кодирования ..................................................................594
13.5. Форматирование дорожки ..........................................................597
13.6. Циклический избыточный контроль ..........................................600
13.7. Адресные метки ..........................................................................602
13.8. Фазовая автоподстройка частоты ..............................................605
Справочное дополнение ......................................................................606
Контрольные вопросы .........................................................................607
Литература..........................................................................................608

√·‚‡ 14. √Ë·ÍËÂ Ë ÊÂÒÚÍË ‰ËÒÍË..................................609
14.1. Типы гибких дисков ....................................................................609
14.2. Организация данных на диске ...................................................610
14.3. Накопитель ГМД .........................................................................611
14.4. Контроллер НГМД.......................................................................612
14.5. Подключение КНГМД к шине .....................................................615
14.6. Конструкция жесткого диска ......................................................616
14.7. Размещение данных на жестком диске.......................................617
14.8. Технические параметры НЖМД .................................................618
14.9. Порты адаптера ЖД ...................................................................619
14.10. Контроллеры жесткого диска ...................................................620
14.11. Программирование гибкого диска ............................................627
14.12. Программирование жесткого диска..........................................643
Контрольные вопросы .........................................................................651
Литература..........................................................................................652

Содержание
8

√·‚‡ 15. ŒÔÚ˘ÂÒÍË ÌÓÒËÚÂÎË ËÌÙÓχˆËË ............653
15.1. Назначение CD ...........................................................................653
15.2. Конструкция и геометрия CD .....................................................653
15.3. Принципы оптического чтения/записи .....................................656
15.4. Функциональные характеристики CD........................................658
15.5. Аппаратурные характеристики ..................................................664
15.6. Обобщенная схема дисковода CD ...............................................666
15.7. Технические характеристики .....................................................669
15.8. Цифровой универсальный диск (DVD) ........................................670
15.9. Функциональные признаки........................................................672
15.10. Параметрическая классификация............................................675
15.11. Аппаратурные признаки ..........................................................676
15.12. Программный интерфейс и руководство пользователя ............678
15.13. Многослойный диск FMD ..........................................................681
Контрольные вопросы .........................................................................683
Литература..........................................................................................686

√·‚‡ 16. ”ÒÚÓÈÒÚ‚‡ ÔÂÓ·‡ÁÓ‚‡Ìˡ
ËÌÙÓχˆËË .................................................................................687
16.1. Основные определения АЦП .......................................................687
16.2. Цифроаналоговые преобразователи ...........................................692
16.3. Аналогоцифровые преобразователи..........................................694
16.4. Устройства связи с объектом......................................................701
16.5. Интерактивная модель АЦП .......................................................707
Контрольные вопросы .........................................................................708
Литература..........................................................................................709

√·‚‡ 17. ÃÓ‰ÂÏÌÓ ÒÓ‰ËÌÂÌË ÍÓÏÔ¸˛ÚÂÓ‚ ........710
17.1. Основные определения ...............................................................710
17.2. Аналоговые модемы ....................................................................715
17.3. Функциональные признаки модемов .........................................719
17.4. Параметрические признаки модемов .........................................725
17.5. Аппаратура аналогового модема ................................................726
17.6. Цифровая связь ISDN .................................................................735
17.7. Методы цифровой модуляции.....................................................737
17.8. Технология *DSL .........................................................................738
Контрольные вопросы .........................................................................739
Литература..........................................................................................741

œËÎÓÊÂÌË 1. ¬‡ˇÌÚ˚ ‚˚ÔÓÎÌÂÌˡ
ÔÓ„‡ÏÏÌ˚ı Á‡‰‡ÌËÈ ............................................................742
Коды клавиатуры ................................................................................742
Вывод данных на печать. Адаптер принтера ......................................751

Содержание

Программирование последовательного порта (УАПП) ........................764
Управление курсором. Контроллер ЭЛТ ..............................................777
Знакогенератор. Режимы дисплея ......................................................790
Текстовый режим дисплея. Управление сдвигами данных .................803
Графический режим дисплея ..............................................................811
Программирование контроллера НЖМД ............................................820
Литература..........................................................................................829

œËÎÓÊÂÌË 2. œÓ‚ÂÓ˜Ì˚ ‚ÓÔÓÒ˚
Í ·‡ÁÓ‚˚Ï ÚÂÏ‡Ï ........................................................................830

œËÎÓÊÂÌË 3. ŒÚ‚ÂÚ˚ ̇ ÍÓÌÚÓθÌ˚ ‚ÓÔÓÒ˚
Ë ¯ÂÌˡ ÛÔ‡ÊÌÂÌËÈ ...........................................................839

œËÎÓÊÂÌË 4. ŒÚ‚ÂÚ˚ ̇ ‚ÓÔÓÒ˚
ÔÓ ÚÂÏ‡Ï ·‡ÁÓ‚Ó„Ó ÍÛÒ‡ .......................................................847

¬‚‰ÂÌËÂ
пыт развития вычислительной техники показывает, что основные функциональные и параметрические характеристики компьютеров определяются входящими в их состав внешними и внутренними периферийными
устройствами и интерфейсами (шинами) различных типов (системными, локальными, периферийными с параллельной и последовательной передачами
данных).
Вместе с совершенствованием центрального процессора большое внимание
уделяется развитию новой периферийной аппаратуры с использованием различных физических принципов (технологий), расширяющих их технические и
эксплуатационные параметры. Причем наивысшие технологические достижения в разработке периферийных устройств меняются каждый год.
Предлагаемая книга, на наш взгляд, способствует развитию инженерного
мышления, соответствующих практических навыков и обеспечивает образовательный интерес к изучению данной темы, так как позволяет получить опыт в
проектировании и программировании периферийных устройств и узнать, как
работают наиболее важные части компьютера.
Данная работа является продолжением и развитием предыдущей книги
«Компьютеры: шины, контроллеры, периферийные устройства» (М.: Радио и
связь, 2001. 480 с.).
В книге была предпринята попытка изложить сложный и разноплановый материал в едином систематизированном подходе: основные определения, функциональные, параметрические, аппаратурные классификационные признаки периферийных устройств (интерфейсов) и принципы их действия.
Задача состояла в том, что надо было найти наиболее важные классификационные признаки, присущие всем устройствам (найти общее в несхожем), и признаки, которые одно устройство отличают от другого. Известны три метода
классификации устройств: иерархический (патентная международная система классификации, имеющая несколько редакций), морфологический (классификация на уровне блоков и их связей) и параметрический (емкость, быстродействие, потребляемая мощность и т. д.). Но наиболее важной является
предлагаемая функциональная классификация, описывающая способ функционирования устройств (шин). Морфологический метод требует просмотра
большого числа технических решений, связанных с перестановкой блоков и их
связей (мелкой детализацией). Функциональный метод базируется на наиболее
важных основных признаках способов функционирования устройств.
Одному способу функционирования может быть поставлено в соответствие
множество аппаратных решений. Функциональный метод не страдает излишней детализацией и является одним из методов создания новых устройств (поисковой системой новых патентных решений). Конкурентная борьба фирм
связана с нахождением новых патентованных технических решений (пусть
даже небольших).
В настоящее время наблюдается тенденция к переходу от одной параллельной шины общего назначения с большим числом линий связи (параллельнопоследовательный функциональный признак передачи данных) к нескольким
двухпроводным каналам связи (последовательнопараллельный функциональ