Периферийные устройства информационных систем. Физические принципы организации и интерфейсы ввода-вывода

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
В.А. ОВЧЕРЕНКО, В.Г. ТОКАРЕВ 
 
 
 
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ  
УСТРОЙСТВА  
ИНФОРМАЦИОННЫХ  
СИСТЕМ 
 

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ 
И ИНТЕРФЕЙСЫ ВВОДА-ВЫВОДА 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

УДК 004.35(075.8) 
   О-35 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Е.В. Рабинович 
канд. техн. наук, доцент В.К. Береснев 
 
 
Работа подготовлена на кафедре вычислительной техники  
для студентов всех форм обучения по направлениям  
09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»  
и 09.03.04 «Программная инженерия» 
 
Овчеренко В.А. 
О-35  
Периферийные устройства информационных систем. Физические принципы организации и интерфейсы ввода-вывода: 
учебное пособие / В.А. Овчеренко, В.Г. Токарев. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2018. – 75 c. 

 
 
ISBN 978-5-7782-3625-7 

В учебном пособии рассмотрены cпособы и средства связи 
устройств в компьютерных информационных системах. Определено 
место системы ввода-вывода в составе компьютерной системы и ее 
структура. Описаны физические принципы организации ввода-вывода, 
а также способы организации обмена информацией между процессором 
и периферийными устройствами.  
Большое внимание уделено интерфейсам ввода-вывода, а также их 
основным функциям и характеристикам. Приведена классификация интерфейсов по способам и принципам обмена информацией между компьютером и периферийными компонентами информационной системы. 
 
 
УДК 004.35(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3625-7 
© Овчеренко В.А., Токарев В.Г., 2018 
 
© Новосибирский государственный  
 
    технический университет, 2018 

ВВЕДЕНИЕ 

Информация является одним из важнейших ресурсов общества 
наряду с такими материальными их видами, как уголь, нефть, газ, полезные ископаемые и другие, а значит, процесс ее переработки по аналогии с процессами переработки материальных ресурсов можно воспринимать как технологию.  
Информационная технология – процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта). 
В современном обществе основным техническим средством технологии переработки информации служит персональный компьютер 
(ПК), который существенно повлиял как на концепцию построения и 
использование технологических контроллеров (процессоров), так и на 
качество информации.  
Внедрение персонального компьютера в информационную сферу и 
применение телекоммуникационных, интерфейсных средств связи 
определили новый этап развития информационной технологии, получивший вcледствие этого название компьютерной технологии. Компьютерная технология – это информационный процесс, в результате 
которого создается информационный продукт на базе компьютерной 
обработки данных. 
Применение компьютера как инструмента для работы с информацией очень разнообразно и многогранно (например, испытание различных технических систем, моделирование, анализ и управление технологическими процессами в химической, нефтехимической, газовой, 
металлургической и других отраслях промышленности).  
Однако сам компьютер не может производить все эти действия, для 
этого ему нужны специальные устройства, которые называют периферийными устройствами (ПУ). 

Основное назначение ПУ – обеспечить поступление в ПК из 
окружающей среды программ и данных для обработки и хранения, а 
также выдачу результатов работы ПК в виде, пригодном для восприятия человеком или для передачи на другой компьютер, или в иной необходимой форме. ПУ в немалой степени определяют возможности 
применения ПК. 
Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по 
функциональному назначению. 
1. Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести 
внешние накопители (ленточные, магнитооптические) и модемы. 
2. Устройства вывода – служат для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств 
относятся принтер, плоттер, монитор (дисплей), аудиосистема. 
3. Устройства ввода – устройства, посредством которых можно 
ввести информацию в компьютер. К такому виду периферийных 
устройств относятся клавиатура, дигитайзер, сканер, графический 
планшет и т. д. 
Каждые из перечисленных групп устройств выполняют определенные функции, ограниченные их возможностями и назначением. 
Связь и совместное функционирование компьютера с названными 
выше периферийными устройствами обеспечивается посредством 
универсальных интерфейсов, которые определяют перечень средств 
взаимодействия, их параметры, а в случае аппаратных интерфейсов – 
параметры сигналов, способы доступа к средствам взаимодействия, 
правила взаимодействия и т. д. 
 
 

1. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СВЯЗИ УСТРОЙСТВ  
В КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ 

1.1. Место системы ввода-вывода  
в составе компьютерной системы и ее структура 

На рис. 1.1. представлена обобщенная структура компьютерной системы. 
 

 
Рис. 1.1. Обобщенная структура компьютерной системы 

Функционирование любой компьютерной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода. Под «обработкой информации» понимается выполнение команд процессора над данными, 

лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, 
оперативной или вторичной памяти.  
Под «операциями ввода-вывода» понимается обмен данными между памятью и устройствами ввода-вывода, являющимися периферийными (внешними) по отношению к памяти и процессору. К ним относятся накопители на магнитных и оптических дисках, монитор, 
принтер, плоттер, сканер и т. д. 

1.2. Физические принципы организации  
ввода-вывода 

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью. 
Конкретный набор устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все 
многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией 
с ними строятся на относительно небольшом наборе принципов. 
Связь устройств компьютера между собой осуществляется с помощью средств сопряжения, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. 
Интерфейс – это совокупность программных и аппаратных 
средств, предназначенных для передачи информации между компонентами компьютера и включающих в себя электронные схемы, линии, 
шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи 
сигналов, правила интерпретации сигналов устройствами. 
Интерфейсы характеризуются следующими параметрами: 
 пропускная способность – количество информации, которая 
может быть передана через интерфейс в единицу времени;  
 максимальная частота передачи информационных сигналов 
через интерфейс;  
 максимально допустимое расстояние между соединяемыми 
устройствами; 
 общее число проводов (линий) в интерфейсе; 
 информационная ширина интерфейса – число бит или байт 
данных, передаваемых параллельно через интерфейс. 

Разработка систем ввода-вывода требует решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие: 
 необходимо обеспечить возможность реализации компьютерной 
информационной системы с различным набором устройств вводавывода, с тем чтобы пользователь мог выбирать конфигурацию машины в соответствии с ее назначением, легко добавлять новые устройства 
и отключать те, в использовании которых он не нуждается;  
 для эффективного и высокопроизводительного использования 
оборудования компьютера следует реализовать параллельную во времени работу процессора над вычислительной частью программы и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода; 
 необходимо упростить для пользователя и стандартизировать 
программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость 
программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства;  
 в компьютере должно обеспечиваться автоматическое распознавание и реакция процессора на многообразие ситуаций, возникающих 
в устройствах ввода-вывода (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.). 
Главным направлением решения указанных проблем является магистрально-модульный способ построения компьютерной системы 
(рис. 1.2), когда все устройства, входящие в ее состав, в том числе процессор и память, организуются в виде модулей, соединяющихся между 
собой общей магистралью.  
 

 
Рис. 1.2. Магистрально-модульный принцип построения  
компьютерной системы 

Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям 
некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством 
специальных интерфейсных схем (ИМП, ИУВВ, ИОЗУ). 
На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи: 
 функциональная и электрическая совместимость сигналов и протоколов обмена модуля и системной магистрали; 
 преобразование внутреннего формата данных модуля в формат 
данных системной магистрали и обратно; 
 восприятие единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов. 
Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными и по 
своим возможностям соответствовать универсальным микропроцессорам. Такие схемы принято называть контроллерами.  
Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет им обеспечить параллельную во времени работу периферийных 
устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором. Внешние устройства разнесены пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода. 
Порты ввода-вывода можно однозначно отобразить в адресное 
пространство ввода-вывода. Каждый порт ввода-вывода получает свой 
номер или адрес в этом пространстве. 
Процесс обмена информацией инициируется специальными командами ввода-вывода. Например, для передачи данных в порт необходимо выполнить следующее: 
1) на адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу порта, в который передается информация, в адресном пространстве ввода-вывода; 
2) на шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть передана в порт; 
3) после выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с устройствами ввода-вывода, что приведет к передаче необходимой информации в нужный порт. 
Существенное отличие памяти от устройств ввода-вывода заключается в том, что занесение информации в память является окончанием 
операции записи, в то время как занесение информации в порт пред

ставляет собой инициализацию реального совершения операции вводавывода. 
Что именно должны делать устройства, приняв информацию через 
свой порт, и каким именно образом они должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется контроллером. 
Контроллер может непосредственно управлять отдельным устройством (например, контроллер диска), а может управлять несколькими 
устройствами, связываясь с их контроллерами посредством специальных шин ввода-вывода (шина IDE, шина SCSI и т. д.) 

1.3. Структура контроллера  
устройства ввода-вывода 

Контроллеры устройств ввода-вывода значительно различаются 
друг от друга как по своему внутреннему строению, так и по исполнению (от одной микросхемы до специализированной вычислительной 
системы со своим процессором, памятью и т. д.), поскольку им приходится управлять совершенно разными приборами. 
Выделим некоторые общие черты контроллеров, необходимые им 
для взаимодействия с компьютерной системой. 
Обычно каждый контроллер имеет, по крайней мере, четыре 
внутренних регистра: состояния, управления, входных данных и 
выходных данных. 
Регистр состояния содержит биты, значение которых определяется состоянием устройства ввода-вывода и которые доступны только 
для чтения вычислительной системой. 
Эти биты индицируют:  
 завершение выполнения текущей команды на устройстве (бит 
занятости);  
 наличие очередного данного в регистре выходных данных (бит 
готовности данных);  
 возникновение ошибки при выполнении команды (бит ошибки). 
Регистр управления получает данные, которые записываются 
компьютерной системой для инициализации устройства ввода-вывода 
или выполнения очередной команды, а также изменения режима работы устройства. 
Часть бит в этом регистре может быть отведена под код выполняемой команды, часть будет кодировать режим работы устройства. Бит 

готовности команды свидетельствует о том, что можно приступить к 
ее выполнению. 
Регистр выходных данных служит для помещения в него данных 
для чтения вычислительной системой. 
Регистр входных данных предназначен для помещения в него 
информации, которая должна быть выведена на устройство. 
Обычно емкость этих регистров не превышает ширины линии  
данных. 

1.4. Организация обмена информацией  
между процессором и периферийными устройствами 

Процесс обмена информацией между процессором и периферийными устройствами поясняется функциональной схемой, изображенной на рис. 1.3.  
Операцию ввода-вывода начинает процессор, выдающий в главный 
контроллер ввода-вывода соответствующую команду 2. Предварительно с помощью слова состояния главного контроллера процессор должен убедиться, что он готов к работе 1. 
Главный контроллер (канал) ввода-вывода приступает к управлению вводом-выводом с помощью специальной программы канала.  
После этого процессор отключается от процесса ввода-вывода и 
функции управления принимает на себя канал. 
Канал после анализа слова состояния 4 соответствующего контроллера о его готовности передает ему управляющий приказ (команду 
канала) 6, 7 и может переходить к работе с контроллером другого ПУ.  
Контроллер ПУ принимает эстафету управления вводом-выводом, 
формирует и передает в блок управления ПУ необходимый управляющий код (сигнал) 8, 9, получив который ПУ приступает к процессу 
передачи данных 10. 
Каждый уровень управления вводом-выводом должен иметь регистры управления, состояния и данных для реализации своих действий по передаче информации. 
При реализации такой многоуровневой системы управления вводом-выводом для связи устройств между собой используются два вида 
интерфейсов: системные интерфейсы (внутренние) – для взаимосвя-