Связь компьютера с периферийными устройствами

Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством (ПУ) в компьютере предусмотрен внешний интерфейс (рис. 1.6), то есть набор проводов, соединяющих компьютер и периферийное устройство, а также набор правил обмена информацией по этим проводам (иногда вместо термина интерфейс употребляется термин протокол — подробней об этих важных терминах мы еще поговорим). Примерами интерфейсов, используемых в компьютерах, являются параллельный интерфейс Centronics, предназначенный, как правило, для подключения принтеров, и последовательный интерфейс RS-232C, через который подключаются мышь, модем и много других устройств. Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером ПУ и специальной программой, управляющей этим контроллером, которую часто называют драйвером соответствующего периферийного устройства.

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства.

Программа, выполняемая процессором, может обмениваться данными с помощью команд ввода/вывода с любыми модулями, подключенными к внутренней шине компьютера, в том числе и с контроллерами ПУ.

Периферийные устройства могут принимать от компьютера как данные, например байты информации, которую нужно распечатать на бумаге, так и команды управления, в ответ на которые ПУ может выполнить специальные действия, например перевести головку диска на требуемую дорожку или же вытолкнуть лист бумаги из принтера. Периферийное устройство использует внешний интерфейс компьютера не только для приема информации, но и для передачи информации в компьютер, то есть обмен данными по внешнему интерфейсу, как правило, является двунаправленным. Так, например, даже принтер, который по своей природе является устройством вывода информации, возвращает в компьютер данные о своем состоянии.

Контроллеры ПУ принимают команды и данные от процессора в свой внутренний буфер, который часто называется регистром или портом, затем выполняют необходимые преобразования этих данных и команд в соответствии с форматами, понятными ПУ, и выдают их на внешний интерфейс.

Распределение обязанностей между контроллером и драйвером ПУ может быть разным, но обычно контроллер выполняет набор простых команд по управлению ПУ, а драйвер использует эти команды, чтобы заставить устройство совершать более сложные действия по некоторому алгоритму. Например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как «Печать символа», «Перевод строки», «Возврат каретки» и т. п. Драйвер же принтера с помощью этих команд организует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции. Для одного и того же контроллера можно разработать различные драйверы, которые будут управлять данным ПУ по-разному — одни лучше, а другие хуже — в зависимости от опыта и способностей программистов, их разработавших.

Рис. 1.6. Связь компьютера с периферийным устройством

Рассмотрим последовательность действий, которые выполняются в том случае, когда некоторому приложению требуется напечатать текст на принтере. Со стороны компьютера в выполнении этой операции принимает участие, кроме уже названных контроллера, драйвера и приложения, еще один важнейший компонент — операционная система. Поскольку все операции ввода-вывода являются привилегированными, все приложения при выполнении операций с периферийными устройствами используют ОС как арбитра. Итак, последовательность действий такова:

Приложение обращается с запросом на выполнение операции печати к операционной системе. В запросе указываются: адрес данных в оперативной памяти, идентифицирующая информация принтера и операция, которую требуется выполнить.

Получив запрос, операционная система анализирует его, решает, может ли он быть выполнен, и если решение положительное, то запускает соответствующий драйвер, передавая ему в качестве параметров адрес выводимых данных. Дальнейшие действия, относящиеся к операции ввода-вывода, со стороны компьютера реализуются совместно драйвером и контроллером принтера.

Драйвер передает команды и данные контроллеру, который помещает их в свой внутренний буфер. Пусть, например, драйвер загружает значение некоторого байта в буфер контроллера ПУ.

Контроллер перемещает данные из внутреннего буфера во внешний порт.

Контроллер начинает последовательно передавать биты в линию связи, представляя каждый бит соответствующим электрическим сигналом. Чтобы сообщить устройству управления принтера о том, что начинается передача байта, перед передачей первого бита данных контроллер формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита — стоповый сигнал. Эти сигналы синхронизируют передачу байта. Кроме информационных бит, контроллер может передавать бит контроля четности для повышения достоверности обмена.

Устройство управления принтера, обнаружив на соответствующей линии стартовый бит, выполняет подготовительные действия и начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в своем приемном буфере. Если передача сопровождается битом четности, то выполняется проверка корректности передачи: при правильно выполненной передаче в соответствующем регистре устройства управления принтера устанавливается признак завершения приема информации. Наконец, принятый байт обрабатывается принтером — выполняется соответствующая команда или печатается символ.

Обязанности между драйвером и контроллером могут распределяться по-разному, но чаще всего контроллер поддерживает набор простых команд, служащих для управления периферийным устройством, а на драйвер обычно возлагаются наиболее сложные функции реализации обмена. Например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как "Печать символа", "Перевод строки", "Возврат каретки" и т. п.

Драйвер же принтера с помощью этих команд реализует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции (например, подсчет контрольной суммы последовательности передаваемых байтов, анализ состояния периферийного устройства, проверка правильности выполнения команды). Драйвер, задавая ту или иную последовательность команд, определяет тем самым логику работы периферийного устройства. Для одного и того же контроллера можно разработать различные драйверы, которые с помощью одного и того же набора доступных команд будут реализовывать разные алгоритмы управления одним и тем же ПУ.

Возможно распределение функций между драйвером и контроллером (ПУ).

Функции, выполняемые драйвером:

· ведение очередей запросов;

· буферизация данных;

· подсчет контрольной суммы последовательности байтов;

· анализ состояния ПУ;

· загрузка очередного байта данных (или команды) в регистр контроллера;

· считывание байта данных или байта состояния ПУ из регистра контроллера.

Функции, выполняемые контроллером:

1. преобразование байта из регистра (порта) в последовательность бит;

2. передача каждого бита в линию связи;

3. обрамление байта стартовым и стоповым битами – синхронизация;

4. формирование бита четности;

5. установка признака завершения приема/передачи байта.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноран-говых локальных вычислительных сетях, так и в сети с выделенным сервером.

Одноранговая сеть.В такой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хране-ния данных. Сетевая операционная система распределена по всем ра-бочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других ра-бочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть.

Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям (диски, принтеры).

Достоинстваодноранговых сетей: низкая стоимость и высокая надежность.
Недостатки одноранговых сетей:

· зависимость эффективности работы сети от количества станций;

· сложность управления сетью;

· сложность обеспечения защиты информации;

· трудности обновления и изменения программного обеспе-чения станций.

Наибольшей популярностью пользуются одноранговые сети на базе сетевых операционных систем LANtastic, NetWareLite.

Сеть с выделенным сервером.
В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций.
Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем уста-навливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства — жесткие диски, принтеры и моде-мы.
Взаимодействие между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляется через сервер. Логическая организация такой сети может быть представлена топологией звезда.Роль центрального устройства выполняет сервер. В сетях с централизованным управлением существу-ет возможность обмена информацией между рабочими станциями, ми-нуя файл-сервер. Для этого можно использовать программу NetLink. По-сле запуска программы на двух рабочих станциях можно передавать файлы с диска одной станции на диск другой (аналогично операции ко-пирования файловиз одного каталога в другой с помощью программы NortonCommander).

Достоинства сети с выделенным сервером:

· надежная система защиты информации;

· высокое быстродействие;

· отсутствие ограничений на число рабочих станций;

· простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

Недостатки сети:

· высокая стоимость из-за выделения одного компьютера под сервер;

· зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;

· меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Сети с выделенным сервером являются наиболее распростра-ненными у пользователей компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей — LANServer(IBM), WindowsNTServerверсий 3.51 и 4,0 и NetWare(Novell).