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
Стр.3
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
Стр.4
4
Оглавление
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 I2
C ........................................................................ 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
Стр.5
Оглавление
5
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
Стр.6
6
Оглавление
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
Стр.7
Оглавление
7
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
Стр.8
8
Оглавление
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
Стр.9