Проектирование переферийных устройств: Методические указания

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Ю. И.Синицын

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРЕФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ “Периферийные устройства” ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Оренбург 1998

ББК 32.97Я7 С-38 УДК 681.3 (075.8)

1 Проектирования периферийных устройств Даны методические указания и необходимые справочные сведения для проектирования периферийного оборудования ПЭВМ на базе микропроцессорных комплектов БИС серий К580, К1810, К1816. Приведены варианты заданий на проектирование печатающих устройств, видеосистем Отображения информации, аппаратуры передачи данных. Методические указания подготовлены на кафедре "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" Оренбургского государственного технического университета для студентов специальности 220100, алгоритма работы ПУ, оптимизацию используемых ресурсов памяти, реализацию микропроцессорного узла управления, обеспечение надежности, устойчивости и безотказности.

1.1 Проектирование ПУ на базе микропроцессорных средств Периферийные устройства или их определенные части могут встраиваться в ПЭВМ и размещаться непосредственно за портами вводавывода. Периферийные устройства, встроенные в ПЭВМ, могут представлять законченное периферийное оборудование, например, системный таймер, либо образовывать дополнительные средства связи с периферийными устройствами, расположенными вне ПЭВМ. Примером могут служить дисплеи, внешние запоминающие устройства, каналы передачи информации, измерительные приборы. Связь с этими устройствами осуществляется встроенными в ПЭВМ периферийными адаптерами, контроллерами или периферийными сопроцессорами (процессорами ввода-вывода). Унификация интерфейсов периферийных устройства вызвала создание стандартных адаптеров и контроллеров. В их функции входит выполнение операций ввода-вывода, формирование периферийного интерфейса, физическое управление внешними ПУ, реализация протокола обмена данными на высоком уровне интеллектуальности, электрическое согласование сигналов. Выполнение функций управления контроллером или адаптером освобождает ЦП от низкоуровневого управления ПУ. Функции ЦП сводятся к общему управлению контроллером с помощью высокоуровневых команд. К настоящему времени разработано множество периферийных адаптеров, контроллеров и вспомогательных схем (периферийных БИС), составляющих техническую базу проектирования ПУ: - К580ВВ51/51А - программируемый связной адаптер К580ВВ55/55А-2

программируемый периферийный адаптер; - К580ВИ53 - программируемый интервальный таймер;

-

К580ВТ57, К1810ВТ37 - контроллер прямого доступа к памяти; К580ВН59 – программируемый контроллер прерываний; К1810ВГ93 – адаптер накопителя на ГМД; К580ВВ79 - адаптер клавиатуры и ЭЛТ; К580ВА93 - приемопередатчик шины ЕЕ 488; К1810ВМ89-сопроцессор ввода-вывода Периферийные БИС серии К580 удовлетворяют электрическим и логическим спецификациям на микропроцессорную шину Microbus фирмы National Semiconductor (унифицированную 8 разрядную шину), объединяющую в функционально законченный модуль отдельные компоненты устройства. В 1978 г. была признана стандартным интерфейсом периферийных БИС (стандартР69-31ЕЕЕ). Вариантами, альтернативными интерфейсу Microbus, являются двухшинные интерфейсы внутриплатного уровня. Это прежде всего магистральный параллельный интерфейс (МПИ), другими словами —MПИшинa (аналог шины Q-bus). Стандарт предназначен для микропроцессорных 'комплектов БИС серий К1801, К1809,К581,К588. По особенностям требований, предъявляемым к ПУ, их можно подразделить на три группы: - Периферийные устройства, встроенные в ПЭВМ или образующие средства связи с ПУ, расположенными вне ПЭВМ. Как правило, они реализуются на основе адаптеров зля решения общих прикладных задач (К580ВВ51/ВИ53/ВВ55/ВТ57/ВН59). Основными функциями этих устройств являются организация параллельного и последовательного интерфейса, распределение интервалов времени. - Периферийные устройства на основе однокристальных программи-руемых адаптеров, выполняющих узкие специализированные функции (К580ВГ72/ВГ75/ВВ79, К1810ВГ93). К этим устройствам относятся дисплеи, внешние запоминающие устройства на гибких, жестких магнитных и оптических дисках. - Периферийные устройства, выполненные на основе микропроцессоров серий К580 и К1810, однокристальных микропроцессоров серии К1816, одноплатных контроллеров /3/. Примером таких устройств являются дисплеи, внешние запоминающие устройства, печатающие устройства, графопостроители. Основная задача проектирования Г1У состоит в выборе внутрисистемной магистрали и сопряжении с ней всех узлов ПУ. В соответствии с рисунком 1 приведена структурная схема контроллера накопителя на магнитных дисках. В состав контроллера входит ЦП, управ3

ляющее ПЗУ, ОЗУ данных, системный адаптер (СА), программируемый таймер К580ВИ53, программируемый контроллер .прерываний К580ВН59, адаптер накопителя на гибких магнитных дисках

(К580ВГ72). По отношению к ЦП ПЭВМ системный адаптер является обычным ПУ, связь с которым осуществляется через регистры данных и слова состояния.

Microbus ПЗУ

ОЗУ

СА

ЦП

СМ

ВИ53

ВН59

ВГ72

Запросы прерываний НГМД Рисунок 1 - Схема контроллера ПУ

В общем случае проектирование ПУ включает в следующее: а) ознакомление с техническими требованиями и принятие решения об использовании того или иного микропроцессора, БИС) требуемого состава оборудования; б) декомпозицию функций ПУ с целью реализации их на программном и (или) аппаратном уровне. Основным критерием выбора, способа, реализации функций является быстродействие микропроцессора и экономическая эффективность; 4

в) разработку алгоритмов и согласование интерфейсов ПУ и ПЭВМ; г) составление и отладку целевых программ с использованием кросссредств параллельно с разработкой макета; д) комплексную проверку и отладку ПУ; в) разработку проезда ПУ по примятым нормативным материалам.

1.2 Средства построения моделей ПУ Алгоритмическое описание модели объекта проектирования - это результат абстрагирования, исходным пунктом которого является вновь разрабатываемое ПУ и связанная с ним проблемная ситуация. Поэтому процесс алгоритмического описания выполняется с применением строго соответствующих предметной области проектирования концепций структуризации и формализации в соответствии с рисунком 2. Успешное выполнение этой работы зависит от фундаментальной подготовки и хорошего знания моделируемого объекта проектирования инженеромпроектировщиком, наличия соответствующей заданной области проектирования концепций структуризации и формализации.

Проектируемое ПУ

Концептуальная модель

Математическая модель

Рисунок 2 – Процесс моделирования Концепции структуризации и формализации порождаются тем oбстоятельством, что при абстрагировании любая модель ПУ (модель технической системы) трактуется как совокупность вэаимодействующих элементов. В описании модели выделяются две составляющие. Первая составляющая относится к описанию взаимодействия элементов, вторая - к описанию функционирования отдельных элементов. Рассмотрим концепции структуризации, в достаточной степени характеризующие сложность прочем структуризации при моделировании ПУ. Сети Петри обладают рядом типовых свойств, отображающих ситуации и явления в проектируемом ПУ, к числу которых относятся свойства ограниченности, живости, консервативности, устойчивости, достижимости. В зависимости от ограничений, налагаемых на топологию СП, выделяются базовые СП. Базовая СП формально определяется как пятерка N=, где Р = {p1 / i = l, n} - конечное множество позиций; 5

Т = {tj / j = 1,m} - конечное множество переходов; 1 =< Р x T - бинарные отношения инцидентности ; E- начальная маркировка СП; M0: P I(tj), O(pt) - множества входных и выходных позиций по отношению к переходу tj; I(Pi), O(pi) - множества входных и выходных переходов по отношению к позиции Pi. Помимо базовых СП, известны белее сложные СП: временные, стохастические, марковские, нагруженные, логические, структурированные, составные. В целом СП высокой мощностью моделирования и разрешения, что позволяет широко использовать их при проектировании ПУ. Конечные автоматы. КА представляют собой граф переходов, который изоморфен помеченной автоматности СП: вершины графа взаимно однозначно соответствуют позициям СП, дуги графа – ее переходам; переходы помечаются состоянием входа а позиции – состоянием выхода. Для любого КА существует адекватная ему СП (обратное не всегда верно). В целом класс СП мощнее класса КА. Паралельные граф-схемы алгоритмов. ПГСА представляются в виде ориентированного графа G=,

где U={ ui / i = 1,7} -конечное множество вершин семи типов (операторные, перехода к выполнению параллельных ветвей алгоритма, слияние параллельных ветвей, проверка логического условия с двумя выходами, слияние взаимно исключающих ветвей, вершины начала -конца выполнения алгоритма); E = {eij} – конечное множество дуг. Преобразование параллельной граф-схемы алгоритма в СП производится заменой ее элементов элементами СП. Биологические графы. БГ называется ориентированный граф с управляющей логикой, установленной на началах дуг, исходящих из одной вершины, и на концах дуг, входящих в одну вершину [ логические отношения И(&) или ИЛИ(^)]. При проектировании БГ в СП каждой вершине и каждой дуге графа сопоставляется позиция СП, а переходы СП вводятся по правилу: если p и t на СП связаны дугой, то аналогичная дуга показывается и на БГ. Краткий обзор концепций структуризации достаточно полно характеризует сложность проблем структуризации при моделировании сложных технических систем, к которым относятся ПУ. Наряду с аппаратами, поддерживающими ту или иную концепцию структуризации, технология машинного моделирования ПУ должна иметь 6

специальные средства, обеспечивающие применение определенной концепции формализации. В большинстве известных систем моделирования составление формальных описаний процессов целиком и полностью возлагается на инженера-проектировщика. Это означает, что входными данными для работы системы моделирования являются заранее составленные структурные, формальные описания объекта проектирования или его алгоритмические модели. Формальные описания элементов структуры ПУ должны обладать значительной общностью и быть пригодными при исследовании достаточно широкого набора функциональных элементов. Это вызывает необходимость применения алгебраических методов, которыми пользуются в общей теории линейных и нелинейных систем, теории автоматов и пр. Традиционно в моделировании при исследовании динамики технических систем используются стохастические методы. Дальнейшее существенное продвижение в этом направление связано с применением качественных и асимптотических методов (методов имитационного моделирования). Имитируя различные реальные ситуации на модели, исследователь получает возможность решения таких задач, как оценка эффективности принципов управления в ПУ, сравнения вариантов структуры ПУ, определения степени влияния изменений параметров ПУ и начальных условий имитации ее поведения на показатель эффективности ПУ.

1.3 Проектирование интерфейсов ПУ Для системного анализа интерфейсов необходимы эффективные математические модели, языки описания структурной и функциональной организации интерфейсов, а также методы оценки их эффективности. Наиболее распространенными средствами описания интерфейсов являются автоматные описания (конечные автоматы, сети Петри), специализированные языки программирования /1,2/. Автоматное описание интерфейсов позволяет выделить системный, алгоритмический и технический этапы проектирования. Наиболее важным является системный этап, основное содержание которого заключается в обосновании выбора интерфейса с учетом конкретных требований к периферийному устройству. Достаточно полную оценку выбранного интерфейса можно получить на основе таких показателей, как пропускная способность, вместимость, стоимость, надежность. Пропускная способность определяет время передачи информации между устройствами интерфейса. Пропускную способность следует отличать от физической скорости передачи информации. Пропускная способность зависит от времени, необходимого для установления связи, передачи единицы информации и разъединения связи, а также от длины массива 7

данных, передаваемого за один сеанс связи. Физическая скорость передачи определяется минимальным циклом передачи единицы информации. Вместимость характеризуется максимальным числом устройств, которое может быть подключено к интерфейсу без использования дополнительных средств его расширения. Вместимость зависит от системы адресации интерфейса, нагрузочной способности приемопередающих элементов и условий конструктивной реализации. Основными техническими средствами увеличения вместимости являются ретрансляторы сигналов, многократная адресация. Стоимость является одним из основных показателей, определяющих технико-экономическую эффективность интерфейса. Различают начальную стоимость, характеризующую затраты на интерфейс с одним источником и приемником, а также относительную (удельную) стоимость, определяемую затратами на интерфейс в пересчете на один интерфейсный блок. Определение стоимости необходимо для сравнительного анализа техникоэкономической эффективности интерфейсов. Надежность интерфейса характеризуется временем наработки на отказ. Основной задачей проектирования интерфейсов является разработка алгоритмов, представляющих промежуточную форму описания процессов взаимодействия, которая используется при разработке программного обеспечения контроллера и функционально-логического проектирования интерфейсных блоков. Последовательность разработки алгоритмов следующая: а) кодирование команд и информации состояния; б) составление объединенной содержательной ГСА взаимодействия на уровне функциональных блоков; в) разработка на основе содержательной ГСА диаграммы состояний, таблицы переходов и их минимизация; г) разработка математической модели интерфейса и оценка временных параметров основных фаз взаимодействия. Конечным результатом алгоритмического этапа проектирования являются протоколы и алгоритмы, на основе которых выполняется функционально-логическое проектирование. Основные особенности этого этапа и требования к функциональным схемам интерфейса сводятся к следующему: а) высокий уровень унификации аппаратных средств интерфейса; б) жесткие ограничения на время выполнения условий информационной совместимости по реализации интерфейсных функций; в) выбор рационального соотношения между программируемой и жесткой логикой при реализации интерфейса. Структура интерфейсного модуля содержит интерфейсный I и. согласующий С, блоки согласно рисунку 3. Интерфейсный блок I 8

разделяется на операционный (ОА) и управляющий (УА) автоматы. Основная функция блока Ci заключается в обеспечении инфор-мационной и электрической совместимости блока I с i-м устройством. Множество сигналов X, У соответствует информационной шине интерфейса. а множество сигналов х, у—шине управления интерфейса. Множество сигналов X’, У’ соответствует информационному каналу периферийного устройства, а множество сигналов х',y' –каналу управления.

Х Y

X

X’

Y

Y’

ОА I

Сi

X

x

x’

y

y’

УА Y

Рисунок 3 - Структура интерфейсного блока

Последовательность проектирования интерфейсного блока I состоит из следующих стадий: а) определение полного набора интерфейсных функций;. б) построение функциональной схемы автомата и описание набора сигналов взаимодействия ОА с УА; в) составление алгоритма функционирования блока; г) синтез функциональной схемы УА и выбор средств его реализации; д) определен не условий совместимости блоков I, Сi с учетом набора связей и временных соотношений между сигналами. Согласующий блок Сi разрабатывается в соответствии с условиями, определяемыми набором связей с интерфейсным блоком I (х,Х,у,У) и сигналами периферийного устройства (х’,Х’,у’,У’). При схемотехническом проектировании осуществляется выбор способа синхронизации. Выбор делается с учетом, что задержка сигнала в кабельных соединениях может в несколько раз превышать время переключения 9

логических элементов, а относительная задержка в шинах данных и адреса находится в пределах интервала переключения.

2 Знакосинтезирующие печатающие устройства 2.1 Архитектура и обобщенная структурная схема Внешняя архитектура печатающего устройства определяет совокупность доступных пользователю характеристики включает: 1. Способ подключения к ЭВМ. 2. Кодовую таблицу (или кодовые таблицы). 3. Систему управляющих команд. 4. Тип механизма печати. 5. Структуру органов управления и индикации. Структура внешней архитектуры, печатающего устройства приведена в соответствии с рисунком 4.

10

Состояние, режим работы

Органы индикации и управления

Внешняя архитектура

Исполнительные механизмы

Показатели качества печати

Система команд

Интерфейсы

Кодовая таблица

Аппаратная и програмная совместимость

Рисунок 4 - Внешняя архитектура печатающего устройства

Из рисунка 4 видно, что внешняя архитектура включает характеристики,относящиеся как к чисто внутренним особенностям устройства, так и чисто внешним. Например, кодовая таблица печатающего устройства является чисто внутренней особенностью, а способ подключения — чисто внешней особенностью. Внешняя архитектура печатающего устройства определяет как аппаратную, так и программную совместимости ПЭВМ. В основном совместимость определяется тремя факторами. Первый фактор тип используемого интерфейса. Второй фактор — кодовые таблицы печатаемых знаков. В зарубежных ПЭВМ и печатающих устройствах широко используется кодовая таблица ASCII. (American Standart Code for Information Interchange — Американский стандарт кодов для обмена информацией). Кодовые таблицы, разработанные на, основе стандарта ASCII, называется расширением ASCII. Среди расширений ASCII наибольшее распространение получили кодовые таблицы фирмы IBM, такие, так МАТНП, MATRIX. На территории России, а также СНГ, наиболее распространены основная кодовая таблица (ОКТ), альтернативная кодовая 11

таблица (АКТ), кодовая таблица КОИ-8 /5/. Третий фактор-система команд. Система команд определяет программную совместимость печатающего устройства и ЭВМ в соответствии с рисунком 5.

ПЭВМ

БПИ

ИЗ

ПГ

БОИ

БУД

ПУУ

ЭПБ

ЭПК

Рисунок 5- Обобщенная структурная схема печатающего устройства

Схема содержит блок приема информации (БПИ), блок обработки информации (БОИ), блок управления двигателями (БУД), панель управления устройством (ПУУ), индикаторные элементы (ИЭ), печатающую головку (ПГ), электродвигатель перемещения каретки (ЭПК), на которой закреплена ПГ, электродвигатель перемещения бумаги (ЭПБ). БПИ осуществляет прием данных от ПЭВМ по интерфейсу в соответствии с протоколом обмена, на который ориентирован интерфейс. Если в печатающем устройстве установлено несколько интерфейсных карт (аппаратных компонентов), то в момент включения напряжения питания выполняется анализ, какой из установленных в печатающем устройстве интерфейсов подключен к ПЭВМ. БОИ просматривает принятые данные, выполняет их первичную обработку в соответствии с выделенными командами из потока информации, поступающей от ПЭВМ. Кроме того, БОИ опрашивает состояние микропереключателей, кнопок ПУУ и в соответствии со значениями сигналов с них управляет режимами работы печатающего устройства, формирует сигналы на индикаторные элементы, которые характеризуют состояние печатающего устройства в любой момент времени. 12

БУД в соответствии с заранее подготовленными параметрами выбранного режима печати производит управление шаговыми электродвигателя приводов перемещения каретки с ПГ, бумаги и красящей ленты.

2.2 Применяемая система команд В знакосинтезирующих матричных принтерах широко применяется три системы команд: - фирмы EPSON (EPSON —ориентированная система); - фирмы IBM для принтеров семейства Proprinter (1ВМ-Р- ориентированная система); - фирмы IBM для графического принтера IBM Graphics printer. Эти системы команд являются стандартом de-feсto. Набор команд печатающего устройства обычно не включает полный перечень команд. Система команд для проектируемого печатающего устройства, базирующегося на стандарте EPSON, приведена ниже. Команды управления режимами печати: 1 Установить режим фазовой печати Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC E 1B 45 2 Отменить режим фазовой печати Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC F 1B 46 3 Установить режим печати с двойным ударом Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC G 1B 47 4 Отменить режим печати с двойным ударом Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC G 1B 48 5 Установить шаг печати «Элит» (12 символов на дюйм) Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC М 1B 4D 6 Установить шаг печати «Пайка» (10 символов на дюйм) Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC Р 1B 50 13

7 Выбрать – отменить режим пропорциональной печати Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC P(n)? 1B 50(n) Область определения n=0,1 При n= 0 режим пропорциональной печати отменяется, при n=1 – устанавливается. 8 Выбрать – отменить режим печати с линией подчеркивания Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC (n) 1B 5F(n) Область определения n=0,1 При n= 0 режим печати с подчеркиванием отменяется, при n=1 – устанавливается. Команды перемещения бумаги, управления плотностью печати: 1 Перевести строку Формат: ASCII Шестнадцатиричный Управляющий LF OA Ctrl J 2 Перевести формат Формат: ASCII Шестнадцатиричный Управляющий FF OC Ctrl L 3 Установить межстрочный интервал 1/8 дюйма Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC 0 1B 30 4 Установить межстрочный интервал 1/6 дюйма Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC 2 1B 32 5 Перейти к началу следующей страницы Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC 4 1B 34 6 Установить длину страницы в строках Формат: ASCII Шестнадцатиричный ESC С(n) 1B 43(n) Область определения 1=