Организация ЭВМ и периферия с демонстрацией имитационных моделей

Авдеев В. А. 

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ 
И ПЕРИФЕРИЯ 
С ДЕМОНСТРАЦИЕЙ 
ИМИТАЦИОННЫХ 
МОДЕЛЕЙ

Москва, 2023

Развитие образовательных технологий

Наглядное обучение

2-е издание, электронное

УДК 004.2/.4(075)
ББК 32.973я7
А18

А18
Авдеев, Вадим Александрович.
Организация ЭВМ и периферия с демонстрацией имитационных моделей / В. А. Авдеев. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 709 с. — Москва : ДМК Пресс, 
2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 
4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-527-5
Книга посвящена проблемам развития инновационных образовательных технологий, включает детальное описание и компьютерное моделирование работы компонентов ЭВМ и периферии: микропроцессоров, микроконтроллеров, устройств 
управления и прерывания, памяти, таймеров, жёстких дисков, принтеров, сканеров, 
видеосистем, дисководов CD, кодеков и т. д.
На разных уровнях с помощью визуальных графических интерактивных демонстрационных моделей (к книге в виде файлов приложены около 140 имитационных 
моделей) излагается работа и основы программирования компьютерных устройств.
Широко представлено компьютерное тестирование по рассмотренным темам и 
электронные учебные пособия. Показаны динамические модели фрагментов ассемблерных программ, функциональные графы вариантов заданий и образцы программ 
с использованием API-функций в графических средах.
Наглядное обучение, предлагаемое в книге, может быть использовано преподавателями для проведения в увлекательной форме лекционных занятий с помощью 
проектора и ноутбука.
Эта книга предназначена для широкого круга читателей: преподавателей и студентов вузов (колледжей), инженеров и других, изучающих основы компьютерной 
техники.

УДК 004.2/.4(075) 
ББК 32.973я7

Электронное издание на основе печатного издания: Организация ЭВМ и периферия с демонстрацией имитационных моделей / В. А. Авдеев. — Москва : ДМК Пресс, 2014. — 708 с. — 
ISBN 978-5-94074-966-0. — Текст : непосредственный.

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.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты 
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-527-5
©  Авдеев В. А., 2013
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2014

Оглавление

Введение....................................................................................9
Благодарности ....................................................................... 10

1. Введение в архитектуру ЭВМ .......................................... 12

1.1. Общий принцип работы ..........................................................12
1.2. Извлечение команд ..................................................................14
1.3. Конвейерная обработка ...........................................................17
1.4. Трехшинная конфигурация .....................................................19
1.5. Выполнение режимов доступа .................................................21
1.6. Организация памяти ...............................................................25

1.6.1. Дешифрация адресов ................................................................... 25
1.6.2. Статическая память ..................................................................... 29
1.6.3. Динамическая память .................................................................. 30
1.6.4. Матричное однобитовое ЗУ .......................................................... 32
1.6.5. Характеристики ЗУ ...................................................................... 37
1.6.6. Типы и описание ЗУ  ..................................................................... 40
1.6.7. Тест ............................................................................................... 44

1.7. Виртуальная память ................................................................44
1.8. Устройство управления ............................................................51

1.8.1. Схема управления ........................................................................ 51
1.8.2. Управление последовательностью микрокоманд.......................... 54
1.8.3. Компоненты устройства управления ............................................ 56

1.9. Оборудование компьютера ......................................................62
1.10. Операционная система ..........................................................68

1.10.1. Основные сведения .................................................................... 68
1.10.2. Архитектура процесса печати .................................................... 72
1.10.3. Базовая система ввода-вывода ................................................... 75
1.10.4. Архитектура операционной системы ......................................... 78
1.10.5. Загрузка операционной системы  ............................................... 80

1.11. API-функции ..........................................................................82
1.12. Материнская плата ................................................................88
Литература .....................................................................................91
2. Базовые микропроцессорные устройства ................... 92

2.1. Структура простого МП ...........................................................92
2.2. Преобразователи кодов 2/16 ...................................................99

2.2.1. Схемный преобразователь 2/16 ................................................... 99
2.2.2. Микропроцессорный преобразователь 2/16 ...............................102

2.3. PIC-микроконтроллер и периферия  ......................................104

2.3.1. Структура PIC-микроконтроллера...............................................104
2.3.2. PIC-микроконтроллер и АЦП .......................................................107
2.3.3. PIC-микроконтроллер и клавиатура ............................................111

Оглавление
4

2.3.4. PIC-микроконтроллер и индикатор .............................................115
2.3.5. Управление двигателями .............................................................118
2.3.6. PIC-микроконтроллер и шаговый двигатель ...............................121
2.3.7. Компоненты ЭВМ ........................................................................127

Литература ...................................................................................145
3. Интерфейсы ввода-вывода ............................................ 146

3.1. Трёхшинный интерфейс ........................................................146
3.2. Адаптер струйного принтера .................................................149
3.3. Селектор адреса ..................................................................... 153
3.4. Интерфейс I2C ........................................................................ 160
3.5. Пространственный интерфейс .............................................. 179
3.6. Шина USB ..............................................................................184

3.6.1. Функциональные признаки .........................................................184
3.6.2. Организация связи ......................................................................187
3.6.3. Протокола передачи данных .......................................................193
3.6.4. Состояния шины .........................................................................198
3.6.5. Дифференциальная передача .....................................................202
3.6.6. Программа тестирования ............................................................205

3.7. Интерфейс SCSI ..................................................................... 208

3.7.1. Основные сведения .....................................................................208
3.7.2. Функциональные признаки .........................................................208
3.7.3. Подключение устройств ..............................................................213
3.7.4. Сигналы шины ............................................................................218
3.7.5. Фазы шины .................................................................................220
3.7.6. Модель шины...............................................................................223
3.7.7. Тестирование ...............................................................................229

Литература ................................................................................... 229
4. Клавиатура и мышь ........................................................ 230

4.1. Основные определения .......................................................... 230
4.2. Взаимодействие компонентов ............................................... 235
4.3. Упрощённая схема ................................................................. 238
4.4. Организации клавиатуры ......................................................240
4.5. Буфер клавиатуры .................................................................245
4.6. Манипулятор мышь ...............................................................246
4.7. Программа «Коды клавиатуры» .............................................. 251
4.8. Варианты заданий ................................................................. 260
4.9. Справочное дополнение ......................................................... 273
Контрольные вопросы .................................................................. 276
Литература ................................................................................... 277

5. Таймер и контроллер прерывания ................................ 279

5.1. Программируемый таймер..................................................... 279

5.1.1 Назначение и структура таймера .................................................279
5.1.2. Сигналы таймера ........................................................................283

Оглавление

5.1.3. Схема канала ...............................................................................283
5.1.4. Общий принцип работы ..............................................................285
5.1.5. Режимы таймера .........................................................................287
5.1.6. Чтение содержимого счётчика ....................................................290
5.1.7. Чтение состояния канала ............................................................291
5.1.8. Модель таймера ...........................................................................292
5.1.9. Варианты заданий ......................................................................295
5.1.10. Упрощённая схема таймера .......................................................296
5.1.11. Системный таймер ....................................................................299

5.2. Контроллер прерывания ........................................................ 302

5.2.1. Обработка прерываний ...............................................................302
5.2.2. Схема контроллера ......................................................................308
5.2.3. Настройка контроллера ...............................................................314
5.2.4. Управляющие слова .....................................................................315
5.2.5. Модель контроллера прерывания ................................................319
5.2.6. Варианты заданий ......................................................................320

5.3. Тест и контрольные вопросы .................................................. 321
Литература ................................................................................... 325
6. УАПП (COM-порт) и контроллер ПДП .............................. 326

6.1. Универсальный асинхронный приёмопередатчик ................. 326

6.1.1. Интерфейс RS-232 .......................................................................326
6.1.2. Асинхронная передача данных ...................................................331
6.1.3. Синхронная передача данных .....................................................332
6.1.4. Асинхронный передатчик ...........................................................333
6.1.5. Асинхронный приемник ..............................................................336
6.1.6. Микросхема УАПП .......................................................................337
6.1.7. Делитель скорости .......................................................................342
6.1.8. Программирование УАПП ............................................................343
6.1.9. Варианты заданий ......................................................................351
6.1.10. Тестирование .............................................................................363
6.1.11. Электронный учебник ...............................................................367

Литература ................................................................................... 368
6.2. Контроллер прямого доступа ................................................. 369

6.2.1. Основные определения ................................................................369
6.2.2. Общие сведения ..........................................................................370
6.2.3. Сопряжение компонентов ...........................................................374
6.2.4. Контроллер ПДП ..........................................................................376
6.2.5. Инициализация контроллера ......................................................385
6.2.6. Циклы ПДП ..................................................................................386
6.2.7. Программирование контроллера.................................................390

Контрольные вопросы .................................................................. 392
Литература ................................................................................... 393

7. Принтеры и сканеры ....................................................... 394

7.1. Классификация принтеров ....................................................394
7.2. Лазерные принтеры ............................................................... 396

Оглавление
6

7.2.1. Основные определения ................................................................396
7.2.2. Структурная схема ......................................................................398
7.2.3. Принцип действия .......................................................................403
7.2.4. Светодиодные принтеры .............................................................406
7.2.5. Функциональная классификация ...............................................410
7.2.6. Аппаратурная классификация ....................................................412
7.2.7. Параметрическая классификация ..............................................413

7.3. Струйные принтеры ..............................................................414

7.3.1. Адаптер струйного принтера .......................................................416
7.3.2. Программирование струйного принтера .....................................420
7.3.3. Эмулятор адаптера ......................................................................426

7.4. Варианты заданий .................................................................430
7.5. Электронное пособие (теория, модель, тест) ..........................434
Контрольные вопросы ..................................................................435
Литература ...................................................................................438
7.6. Сканер ...................................................................................438

7.6.1. Основные определения ................................................................438
7.6.2. Структурная схема ......................................................................441
7.6.3. Принцип действия .......................................................................448
7.6.4. Электронный учебник «Сканер» ..................................................453

Контрольные вопросы ..................................................................457
Литература ...................................................................................459
8. Видеосистемы ................................................................. 460

8.1. Основные определения ..........................................................460
8.2. Адаптер VGA...........................................................................463
8.3. Управление курсором .............................................................470

8.3.1. Варианты заданий ......................................................................470
8.3.2. Пример программы .....................................................................474

8.4. Текстовый режим ...................................................................480

8.4.1. Общие сведения ..........................................................................480
8.4.2. Взаимодействие компонентов .....................................................483
8.4.3. Формирование символов .............................................................485
8.4.4. Варианты заданий ......................................................................488
8.4.5. Пример программы .....................................................................490
8.4.6. Байт атрибута .............................................................................499
8.4.7. Пример программы .....................................................................500

8.5. Графический режим ............................................................... 502

8.5.1. Общие сведения ..........................................................................502
8.5.2. Варианты заданий ......................................................................513
8.5.3. Примеры программ .....................................................................514

8.6. Знакогенератор...................................................................... 518

8.6.1. Основные сведения .....................................................................518
8.6.2. Варианты заданий ......................................................................521

Оглавление

8.6.3. Примеры программ .....................................................................522
8.6.4. Модель комплекса ассемблерных программ ................................529

8.7. ЖК-мониторы ........................................................................ 531

8.7.1. Основные определения ................................................................531
8.7.2. Функциональные характеристики ..............................................536
8.7.3. Параметрическая классификация ..............................................540
8.7.4. Образование палитры .................................................................542
8.7.5. Твист-эффект ...............................................................................543
8.7.6. Растровая развертка ...................................................................544

8.8. Видеокарты 3D ......................................................................545

8.8.1. Основные определения ................................................................545
8.8.2. Базовая структура .......................................................................552
8.8.3. Функциональные признаки .........................................................556
8.8.4. Аппаратурные и параметрические признаки ..............................556

8.9. Тестирование и контрольные вопросы ................................... 558
Литература ................................................................................... 560
9. Дисководы CD (DVD) ........................................................ 561

9.1. Назначение CD ...................................................................... 561
9.2. Конструкция и геометрия CD ................................................. 562
9.3. Принцип оптического доступа ...............................................564
9.4. Функциональные признаки ................................................... 567
9.5. Аппаратурные характеристики .............................................574

9.5.1. Схема записи звука .....................................................................574
9.5.2.Фильтр низких частот ..................................................................575
9.5.3. Устройство выборки-хранения ....................................................575
9.5.4. Аналого-цифровой преобразователь ...........................................577
9.5.5. Справочное дополнение ..............................................................580

9.6. Кодирование информации ..................................................... 581

9.6.1. Типы ошибок ...............................................................................581
9.6.2. Кодер CIRC ..................................................................................581
9.6.3. Блоки отсчетов ............................................................................584
9.6.4. Первая ступень CIRC ...................................................................585
9.6.5. Вторая ступень CIRC ...................................................................586
9.6.6. Субкоды .......................................................................................587
9.6.7. Кодер 8/14 ...................................................................................587

9.7. Схема чтения звука ................................................................ 590

9.7.1. Устройство чтения .......................................................................590
9.7.2. Декодер CIRC ...............................................................................591
9.7.3. Цифро-аналоговый преобразователь ..........................................592
9.7.4. Справочное дополнение ..............................................................594

9.8. Табличный кодер ................................................................... 595
9.9. Обобщённая схема дисковода  ............................................... 599
9.10. Технические характеристики ............................................... 601
9.11. Цифровой универсальный диск ........................................... 603

Оглавление
8

9.11.1. Функциональные признаки .......................................................605
9.11.2. Параметрическая классификация ............................................609
9.11.3. Аппаратурные признаки ...........................................................610

9.12. Многослойный диск ............................................................. 612
9.13. Электронный учебник ..........................................................614

9.13.1. Оптические носители ................................................................614
9.13.2. Перечень моделей ......................................................................616
9.13.3. Модуль содержания ...................................................................618
9.13.4. Модуль моделей .........................................................................619

9.14. Тестирование ....................................................................... 623
Контрольные вопросы .................................................................. 626
Литература ................................................................................... 629
10. Жёсткие диски ............................................................... 630

10.1. Магнитные накопители ....................................................... 630

10.1.1. Магнитная запись .....................................................................630
10.1.2. Магнитные головки ...................................................................636
10.1.3. Методы кодирования .................................................................637
10.1.4. Форматирование дорожки .........................................................642
10.1.5. Циклический избыточный контроль .........................................644
10.1.6. Адресные метки .........................................................................647
10.1.7. Фазовая автоподстройка частоты .............................................650
10.1.8. Справочное дополнение ............................................................651

10.2. Контроллер жёсткого диска ................................................. 657

10.2.1. Функциональные признаки .......................................................657
10.2.2. Схема контроллера ....................................................................659
10.2.3. Модель контроллера ..................................................................661
10.2.4. Программирование контроллера ...............................................666

10.3. Защита данных от ошибок ................................................... 677

10.3.1. Основные определения ..............................................................677
10.3.2. Циклический контроль ..............................................................681
10.3.3. Модель контроля данных ...........................................................684

Контрольные вопросы .................................................................. 686
Литература ................................................................................... 687
Приложение А ...................................................................... 689
Пособие «Комплекс лабораторных работ» ..................................... 689
Приложение B ...................................................................... 695
Пособие «Последовательный порт»  ............................................... 695
Приложение C ...................................................................... 697
Пособие «Печатающие устройства»  .............................................. 697
Приложение D ...................................................................... 699
Итоговый тест............................................................................... 699
Приложение E ...................................................................... 703
Программирование CD ................................................................. 703

Скажи мне – и я забуду,
Покажи мне – и я вспомню,
Вовлеки меня в процесс – и я пойму,
Отойди – и я буду действовать!
                                   Китайская пословица

Введение

Предлагаемая книга является дальнейшим развитием учебного материала, изложенного в предыдущих книгах автора: «Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. – М.: ДМК 
Пресс, 2009. – 848 с.: ил.»; «Интерактивный практикум по компьютерной схемотехнике на DELPHI. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 360 с.: ил.».
В новой книге, существенно отличающейся от предыдущих, акцент сделан на создание мультимедийных диалоговых моделей компьютерных компонентов ЭВМ и основ их программирования. Рассматриваются модели фрагментов ассемблерных программ с учетом 
регистров процессора и портов ввода-вывода периферийных устройств, то есть результаты выполнения ассемблерных команд отображаются в соответствующих регистрах. Кроме того, излагаются 
вопросы программирования периферийных устройств с использованием API-функций и различных графических сред. Для построения 
демонстрационных моделей применяются следующие графические 
среды: Delphi, C++ Builder, Flash, причем приложения представлены 
так, что они могут выполняться на любом компьютере с операционной системой Windows, то есть содержат все необходимые библиотеки (C++ Builder). Каждая глава (1–10) сопровождается наглядными 
демонстрационными моделям и включает достаточно полно изложенную информацию о компьютерных компонентах .
В первой главе рассматриваются на имитационных моделях общие 
принципы работы микропроцессорной системы, извлечение команд, 
конвейерная обработка, организация памяти, функционирование 
микропрограммного устройства управления, базовые микропроцессоры, структура операционной системы и другие темы ЭВМ.
Работа и программирование периферии PIC-микроконтроллеров 
изложены в главе 2 с демонстрацией соответствующих графических 
моделей.
Модели интерфейсов ввода-вывода (I2C, USB и других) представлены в третьей главе.
Четвертая глава посвящена основам работы и программирования 
клавиатуры и мыши. Показаны модели клавиатурного ввода, буфера 
клавиатуры, манипулятора мыши и т. д.

Введение
10

Достаточно сложные вопросы построения программируемых микросхем таймера и контролера прерывания с учетом их демонстрационных динамических моделей изложены в главе 5.
В шестой главе содержится описание и демонстрация принципов работы универсального асинхронного приемопередатчика (УАПП) и контроллера прямого доступа (КПДП) на крупном и детальном уровнях.
Обсуждение вопросов функционирования и программирования 
принтеров и работы сканера с учетом электронного пособия осуществляется в главе 7.
В восьмой главе акцент делается на программирование различных режимов видеосистем с применением графических сред и APIфункций и представление моделей выполнения фрагментов ассемблерных программ с учётом компонентов компьютера. Показаны  
варианты заданий.
Девятая глава связана с мультимедийным изложением работы 
трактов дисководов CD (DVD) с учетом кодирования информации.
Представление моделей жесткого диска (контролера), принципов 
магнитной записи и чтения и т.д. показывается в главе 10.
В приложениях A, B, C представлены комплексные электронные 
пособия по  некоторым  рассмотренным ранее темам,  в приложении 
D показан итоговый тест, содержащий четыре типа вопросов, а в приложении Е изложены вопросы программирования дисковода CD.
Таким образом, текст книги базируется на описании имитационных моделей работы и программирования компонентов ЭВМ и периферийных устройств. Модели представлены для какой-либо темы 
на двух уровнях: крупном (понятийном) и детальном (инженерном) с 
учётом различных пользователей. Поэтому для работы с некоторыми 
моделями предлагается Руководство пользователя.
Для построения демонстрационных моделей применяются следующие графические среды: Delphi, C++ Builder, Flash, причем приложения (исполняемые файлы) представлены так, что они могут выполняться на любом компьютере с операционной системой Windows, 
то есть содержат все необходимые библиотеки.

Благодарности

Автор благодарен всем тем студентам, которые прослушали его лекции по интерфейсам и периферийным устройствам, выполняли под 
его руководством индивидуальные работы, работы бакалавров и 
дипломные проекты (работы), часть из которых была связана с разработкой кодов программ интерактивных динамических демонстрационных моделей компьютерных устройств, в том числе и периферийных.