Техническая диагностика средств вычислительной техники

всего 16 Мбайт
_________________________________________________________________

Часто возникает путаница между расширенной памятью (от 640 Кбайт до 1 Мбайт) и отображаемой памятью. К расширенной памяти, от 640 Кбайт и до 16 Мбайт, можно обращаться по 24-м адресным линиям при инсталлированном драйвере (менеджере) расширенной памяти спецификации XMS (например, HIMEM). К отображаемой (дополнительной) памяти (от 1 до 32 Мбайт) можно обращаться в RM только отображая ее через окна (frame) по 64 Кбайт (из 4-х сегментов по 16 Кбайт) в расширенной памяти. Эти окна создаются менеджером XMS и располагаются выше видео-памяти в пределах 1 Мбайт. К ним можно обращаться по 20 адресным линиям, только при инсталлированном драйвере (менеджере) верхней памяти спецификации EMS. Таким образом, область памяти от 1 Мбайт до 16 Мбайт может быть доступна и как расширенная (под управлением администратора XMS) и как дополнительная (под управлением администратора EMS). Так что отображаемая память - это память, доступная под управлением EMS, вне зависимости от ее расположения, т. е. память выше 16 Мбайт - только отображаемая, а от 1 до 16 Мбайт может быть одновременно и расширенной (под управлением XMS), и отображаемой, (если доступ к ней организован администратором EMS).

Управление окном выполняют обе программы-менеджеры: XMS (до 1 Мбайт) и EMS (до 32 Мбайт). Когда frame заполнен, EMS переносит его в дополнительную память, а из дополнительной - такой же, но свежий frame, переносит в те же физические адреса XMS. Такой механизм управления памятью позволяет работать с памятью до 640 Кбайт прямо под DOS, от 640 Кбайт до 16 Мбайт - с инсталлированным менеджером XMS и от 1 Мбайт до 32 Мбайт - с инсталлированными сразу двумя менеджерами XMS и EMS. Но администратор EMS должен инсталлироваться после инсталляции XMS, т.е. нужно следить, чтобы в файле config.sys первым был инсталлирован соответствующий драйвер XMS (например, HIMEM), а уж затем - драйвер EMS (например, EMM386).

В программных продуктах для CPU i386 обычно отображаемая память не используется, за исключением программ, написанных для CPU i286, т.к. i80386 имеет уже 32 адресные линии и может, в последних версиях DOS, непосредственно обращаться к памяти до 4 Гбайт.

В карте памяти для i386 первый мегабайт памяти - это копия карты памяти IBM PC для RM, обеспечивающая совместимость с i8086, а остальная часть, до 16 Мбайт, используется как расширенная, при инсталлированном менеджере XMS, или до 32 Мбайт как дополнительная, при инсталлированных менеджерах XMS и EMS.

Конструктивное исполнение DRAM.

Если DRAM выполнена на ИМС в DIP-корпусах, они могут иметь следующие обозначения:

164 - 64К х 1 бит,

264 - 64К х 2 бита,

464 - 64К х 4 бита,

1128 - 128К х 1 бит

4128 - 128К х 4 бита,

1256 - 256К х 1 бит

и т. п.

Оперативная память конструктивно расположена на SB PC. В системах 286 SB имеются четырехрядные розетки (Chip-Socket) для установки ИМС DRAM (Chip-Socket-Comby) в DIP-корпусах
с 16-ю и 18-ю выводами (рисунок 1.6.), позволяющие, при выходе из строя ИМС DRAM, заменять только один неисправный чип. Такая конструкция DRAM недостаточно надежна: - наблюдается эффект "сползания" ИМС из розетки, вследствие температурных изменений, и недостаточно надежно контактирование ИМС с розеткой, так как их выводы только залужены припоем ПОС и со временем окисляются.

Позже стали использоваться модули памяти на SIP (Single-In-Line-Package) с однорядным расположением контактов разъема штыревого типа (рисунок 1.7).

Печатная плата модуля содержит одну, чаще - несколько ИМС, распаянных на плату, сам же модуль имеет разъем с аксиальными штырьками и устанавливается в гнездовую розетку. Контакт достаточно надежен, "сползания" нет, но разъем не технологичен и модуль в разъеме специально не фиксируется. Сейчас такие модули больше не выпускаются.

-------------------¬ ----------------¬
¦ ооооооооо ¦ ¦ ооооооооо ¦
¦ оооооооо ¦ ¦ +++++++++ ¦
¦ ++++++++ ¦ ¦ ¦511000-10 ¦
¦ ¦4164/41256-10 ¦ ¦ +TTTTTTT+ ¦
¦ о+TTTTTT+ ¦ ¦ ооооооооо ¦
L¬ оооооооо ¦ L¬ оооооооо ¦
L------------------ L---------------
установка 256 Кбайт ИМС установка 1Мбайт ИМС

Рисунок 1.6. Сhip-Socket-Comby для установки 16- и 18- выводных ИМС DRAM.

-----------------------------------¬
¦ +++++++++ +++++++++ +++++++++ ¦
¦ +TTTTTTT+ +TTTTTTT+ +TTTTTTT+ ¦
¦ ¦
L-T------------------------------T--
L-TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT--

Рис. 1.7. Модуль SIP.

Для устранения указанных недостатков, модули памяти SIP были заменены на модули другой конструкции - SIMM (Single-In-Package-Memory-Module). Эти модули тоже содержит несколько ИМС, но имеют краевой разъем, выполненный печатным способом вместе с рисунком печатной платы и имеющий гальваническое покрытие контактов разъема (золото, или серебро-палладий), обеспечивающее вполне надежный контакт ( рисунок 1.8.).

----------------------------------------¬
¦ ++++++++++ ++++++++++ ++++++++++ ¦
¦о +TTTTTTTT+ +TTTTTTTT+ +TTTTTTTT+о¦
\ ¦
¦ -¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬-¬ ¦
L-++++++++++++++++++++++++++++++++++++--

Рис. 1.8. Модуль SIMM.

Такие модули устанавливаются в розетки ножевого типа с фиксацией рабочего положения специальными защелками.

Модуль компактен, надежен в контактах, но при выходе из строя всего одной ИМС приходится заменять весь модуль, так как отпаять и припаять новую ИМС сложно и требуется точно такая же ИМС того же изготовителя и даже времени ее выпуска.

Модуль устанавливается в разъем сначала под углом, а затем поворачивается до вертикального положения до защелкивания замков. Нужно только следить за тем, чтобы шипы гнездового разъема вошли в отверстия модуля (на рисунке 1.8 они обозначены как “о”).

Для снятия модуля сначала отжимаются защелки замка, затем модуль отклоняется назад и выводится из разъема. Модули легко ставятся и снимаются, а если модуль не входит или не выходит из разъема без особых усилий, значит, что-то делается неправильно.

SIMM выпуска 1990-91 г. предназначены для РС286, а выпуска 1992-93 г. - для РС 386/486. По характеристикам и электрическим параметрам они несовместимы как между собой, так и с более поздними моделями. Однокристальные SIMM имеют малую емкость, многокристальные SIMM могут иметь разных производителей и/или разные даты выпуска, что также несовместимо в одной системе DRAM. Мало того, SIMM могут иметь разную организацию, так что SIMM для РС 386, 486 и Pentium практически несовместимы.

Новой разновидностью модулей памяти являются модули DIMM (Dual-In-Line-Memory-Module - двухрядное расположение контактов), имеющие не 32, а 72 контакта на краевом разъеме, что позволяет значительно увеличить емкость каждого модуля.

В последнее время типы памяти приобрели ярко выраженную аббревиатуру, позволяющую их идентификацию:

- DRAM - Dynamic RAM - динамическая память с произвольной выборкой;

- FPM DRAM - Fast Page Mode - динамическая память со страничной организацией;

- VRAM - Video RAM - видеопамять динамическая, двухпортовая. Наличие второго порта позволяет осуществить произвольный доступ к памяти в то время, когда уже идет вывод данных на видеомонитор;

- CDRAM - Cached DRAM - динамическая память фирмы Mitsubishi, содержащая дополнительно
16 Кбайт быстрой памяти на каждые 4 или 16 Мбайт;

- EDRAM - Enhanced DRAM - динамическая память фирмы Ramtron, содержащая 8 Кбайт быстрой
кэш-памяти на каждые 8 Мбайт;

- EDO DRAM - Extended Data Output DRAM - динамическая память со страничной организацией.

Благодаря дополнительным регистрам, данные на выходе сохраняются в течение большого интервала времени, от одного сигнала выборки CAS# до следующего.

Существуют и другие типы модулей памяти, со своими обозначениями.

Все вышеприведенные типы памяти между собой несовместимы, как несовместимы и с контроллерами памяти другого типа. Так что, если системная плата, в соответствии с инструкцией по ее эксплуатации, рассчитана, например, на память типа EDO, значит и контроллер памяти (расположенный в чип-сете) рассчитан только на EDO DRAM, и с любым другим типом модулей памяти работать не будет.

Емкость современных модулей SIMM достигает сотен Мбайт и более. Тем не менее, если все разъемы DRAM заняты, емкость ОЗУ все же можно увеличить, установив в специальный слот плату расширения памяти (например, карту MBI 386RW-BUS), с установленными на нее дополнительными модулями SIMM. Конечно, в этом случае следует выставить и соответствующую конфигурацию ВС.

Уместно напомнить, что установка дополнительной памяти требует дополнительных программных и аппаратных средств - контроллеров типа 82С631, 82С241, для преобразования расширенной памяти в дополнительную (при использования ее в системе MS DOS).

Спецификация ЕМS разработана фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft и называется так же спецификацией LIM. Версия EMS 3.2 позволяет сверх базовой памяти в 640 Кбайт использовать до 8 Мбайт ОЗУ, а EMS 4.0 - до 32 Мбайт. Для операций с EMS используется прерывание DOS 67h. Программная поддержка верхней памяти под MS DOS - менеджеры HIMEM (для доступа к расширенной памяти), плюс QEMEM, 386MAX, EMM386 и др. - для доступа к дополнительной памяти.

Контрольные вопросы.

1. Для чего организуется работа DRAM с чередованием банков?

2. Как организуется регенерация DRAM?

3. Какой объем памяти отводится MS DOS под базовую?

4. Где располагается область таблицы векторов прерываний?

5. Какими средствами становится доступной область Upper Memory под MS DOS?

6. В чем достоинства и недостатки модулей SIMM?

7. Как конструктивно может быть выполнена DRAM PC?

1.4.5.2) Буферная кэш-память ОЗУ

При высокой скорости работы системы, DRAM сильно ограничивает производительность ПЭВМ.

Для выравнивания времени доступа к СОЗУ (регистровая память), находящемуся в структуре самого CPU, и DRAM, между ними располагают буфер - кэш (Cache Memory), организованный на статической памяти (SRAM) сравнительно небольшого объема со временем доступа 20-25 нсек. Для эффективного использования кэш-памяти, программный модуль должен целиком помещаться в кэш, включая циклы переходов, как для команд, так и для данных.

Часто устанавливаются два отдельных кэша - кэш команд и - кэш данных.

При работе программы, отдельные модули программы копируются контроллером КЭШа из ОЗУ в кэш. При запросе от CPU команды или данных, сначала проверяется наличие нужных адресов в кэш (используя указатель адресов - кэш-ТЭГ). При наличии, отмечается кэш-попадание (cache-hit), иначе - кэш-промах (cache-miss) и, в последнем случае, информация целым модулем копируется из RAM в кэш.

Даже времена доступа к SRAM в 20-25 нсек оказываются недостаточными для современных высокоскоростных CPU типа Pentium-3, Pentium-4, поэтому непосредственно в CPU устанавливают еще один кэш, кэш первого уровня, со временами доступа 2 - 5 нсек.

Кэш-память требует управления от специального контроллера кэш-памяти, который размещается вместе с кэш соответствующего уровня.

Кэш-память также может стать источником ошибок, поэтому в современных программах настройки BIOS (SetUp-программы или NSetUp) предусмотрено отключение кэш-памяти первого и/или второго уровней. Это позволяет локализовать неисправность, возникающую либо в основной DRAM, либо в кэш-памяти первого или второго уровней. Ошибки кэш-памяти второго уровня устраняются заменой ИМС кэш-памяти (для этого они часто устанавливаются в chip-sockets), но ошибки кэш-памяти первого уровня не могут быть устранены без замены самого CPU. Сохранить работоспособность РС при неисправности кэш-памяти можно, хотя и с некоторым снижением производительности АПС, если отключить кэш соответствующего уровня.

Архитектура кэш-памяти может быть: с прямым отображением, частично ассоциативная и полностью ассоциативная.

При прямом отображении (direct mapped cache) каждая ячейка DRAM отображается непосредственно в одну ячейку SRAM. Перепись информации из RAM в кэш и обратно осуществляется целым блоком в объеме кэша.

При частично ассоциативной архитектуре каждая ячейка DRAM может отображаться в кэше по двум или более входам (каналам).

При полностью ассоциативной архитектуре, в качестве разрядов-признаков используется все адресное пространство, а конкретная ячейка RAM может быть отображена в любом месте SRAM, при этом блоки в DRAM и кэш равнозначны не все время, а только после обратной переписи информации из кэш в RAM.

Для поиска информации, в кэше организуется специальное поле указателей - тэгов (TAG RAM). Эти тэги ассоциируются с искомым адресом и, для их хранения, в контроллерах КЭШ организована специальная память признаков, также выполненная на SRAM.

Частично ассоциативная память, чаще всего используемая на практике, разбивается на несколько областей. Внутри каждой области располагаются многобайтовые строки, содержащие как информацию, так и ключи поиска. В случае промаха, кэш-память заполняется построчно, причем обновляется строка из давно не использовавшихся данных. Этот принцип реализуется контроллером кэш-памяти и называется LRU (Least Recently Used - редко используемый).

Обращение к кэш-памяти происходит по физическим адресам, включающим несколько полей:

- младшее поле адреса (индекс-разряды) задает два или более входов в кэш, при этом в каждом наборе может быть несколько многобайтовых строк,

- среднее поле адреса указывает на конкретную ячейку в наборе,

- старшее поле - содержит информацию о том, имеется ли в кэше затребованный информационный массив, или нет.

Существуют следующие способы записи информации DRAM в КЭШ:

1) метод сквозной записи (Write Through), при котором по шине памяти производятся две записи: одна - в RAM, другая - в кэш. При этом одновременно имеются две копии данных, одна в кэш, другая в RAM;

2) метод буферизованной сквозной записи (Buffered Write Through). При этом методе запись из CPU в кэш происходит сначала в буферные стеки дисциплины FIFO, а затем уже сам контроллер кэш переписывает стеки в DRAM. При этом дополнительного цикла записи не требуется, но некоторое время в DRAM и кэше находится разная информация: в кэш - новая, а в DRAM - старая.

3) метод обратной записи (Write Back) - самый эффективный метод. Он использует наименьшее число циклов записи, но требует для своей реализации дополнительной аппаратной поддержки и поэтому применяется только в мультипроцессорных системах. При этом методе в DRAM и SRAM содержится различная информация. При записи в кэш, устанавливается статусный бит (Dirty Bit - "грязный"), при обновлении кэш-памяти этот бит проверяется и, если он установлен, то из кэш в DRAM переписывается полная строка данных (Cache Line). Опасность такого способа заключена в том, что при случайном сбое в работе РС, обновленная информация, уже имеющаяся в кэш и еще не переписанная в ОЗУ, может потеряться.

Контрольные вопросы.

1. Как выравниваются скорости работы CPU и DRAM?

2. Сколько уровней кэш-памяти могут иметь РС на базе CPU Pentium?

3. Как можно локализовать ошибки кэш-памяти?

4. Как сохранить работоспособность РС при неисправной кэш-памяти?

5. Какой архитектуры может быть организована кэш-память?

6. Какие существуют способы записи информации DRAM в кэш?

1.4.5.3) Подсистема ROM BIOS

Память ПЗУ для ROM BIOS представлена двумя частями:

- первая, системная, расположена на SB в двух чипах ПЗУМ 27565, по 32 Кбайт каждый, или в одном - на 64 Кбайт. Доступ к ROM BIOS осуществляется по целым словам, т.е. разряды адресной шины XA[1/0] всегда = 0 и обычно на SB есть перемычки (jampers) для возможности расширения адресов ROM до 128 Кбайт;

- вторая - ROM-ловушки. Здесь размещаются программы-драйверы дополнения базовой версии BIOS новыми возможностями, при расширении или модификации аппаратных средств (HDD, дисплей и др.). Расположены эти ROM на картах контроллеров расширения соответствующих подсистем.

Обе части BIOS при загрузке системы транслируются в теневую RAM (см. Карту стандартного распределения памяти под MS DOS, таблица 1.4.). Доступ к чипам ROM происходит через дешифратор адреса второй ступени (выход HIROM) в контроллере 303, активизацией сигнала ROMCS = L в контроллере 82С302.

BIOS - это программное средство (Firm Ware), низший уровень ОС, реализующий интерфейс между аппаратной частью (Hard Ware) и операционной системой (DOS-Ware). Программы BIOS, написанные разными производителями (AWARD, AMI, PHOENIX и т. д.) и даже одной фирмой, но для разных моделей РС, отличаются. Более того, BIOS, написанная для той же модели РС той же фирмы, но разного времени выпуска также могут отличаться. Все эти варианты, как правило, между собой несовместимы.

Содержимое ИМС ROM BIOS разделено на 3 части:

1) программа самотестирования РС (POST) и инициализации (загрузки) портов ВВ для всех устройств, поддерживаемых этой BIOS. Но некоторые программы BIOS расположены на картах расширения УВВ - это дополнение BIOS для тех УВВ, описаний которых нет в ПЗУ на SB. Выполнение POST-программы завершается прерыванием 13h (BootsTrup), которое инициирует загрузчик системных модулей (ядра DOS) с системного носителя - в ОЗУ.

2) программы обработки прерываний от УВВ, поддерживаемых системной ROM BIOS на SB или на картах расширения.

3) система подпрограмм обслуживания функций УВВ.

Вторая и третья части тесно связаны между собой. Так, вызов программы взаимодействия с портами УВВ происходит через программные прерывания, а функция обслуживания вызывается из третьей части, по коду, хранящемуся в регистре AH CPU.

Информация в ROM BIOS защищается от информационных ошибок с помощью циклической контрольной суммы (код CRC).

Если какие-то функции УВВ требуются, но в BIOS не прописаны, можно либо заменить сам чип ROM BIOS (для этого он и смонтирован в ChipSocket), либо ввести специальные утилиты обслуживания, например, Disk Manager и т. п. Современные РС типа Pentium часто оснащаются другим типом ПЗУ для хранения ROM BIOS, так называемой Flash-памятью. Этот тип ППЗУ предоставляет возможность электрической перезаписи информации (EPROM) даже без извлечения модуля из РС. Это, с одной стороны, очень удобно, - можно внести изменения, добавить недостающие функции обслуживания, но имеется и отрицательная сторона дела:

- прежде всего, нужно хорошо понимать зачем, что и как следует делать с Flash-памятью;

- помнить, что EPROM имеет, хотя и достаточно большое (до 50), но все-таки ограниченное допустимое количество перезаписей, после чего характеристики хранения информации этой EPROM не гарантируются;

- наконец, при штатной эксплуатации, имеющаяся на системной плате в районе Flash-памяти перемычка перепрограммирования должна быть установлена в положение запрет программирования. Иначе, при некоторых видах сбоев электроники или программ, информация в ROM BIOS, выполненной на
флешь-памяти, может быть разрушена. И самое худшее, что может случиться, - это повреждение информации в подобной ROM BIOS, вследствие деструктивных действий некоторых компьютерных вирусов. При этом нормальное функционирование компьютера становится невозможным.

Таблица функций УВВ сохраняется в ОЗУ, в 256-байтной области (BIOS DATA AREA), сразу за векторами прерываний, впрочем, программы-менеджеры памяти могут ее перемещать в область верхней памяти (UpperMemory).

Доступ к ROM BIOS со стороны CPU по адресам, обеспечивается через шину расширения адреса ХА [23/00], а по данным - через буфер данных 82А305 (рисунок 1.3).

Теневые области оперативной памяти.

В компьютерах с микропроцессорами 386 и выше, обмен данными с памятью осуществляется по 32- или 64-разрядным шинам, а обращение к ПЗУ ROM BIOS - только по 16-разрядному тракту. Контроллеры с собственными ROM BIOS могут обращаться к системной плате лишь по 8-разрядному тракту, что существенно снижает общую производительность машины. Кроме того, быстродействие ПЗУ значительно ниже, чем у существующих микросхем динамического ОЗУ. Например, задержка выборки из лучших ИМС ПЗУ составляет 150-200 нсек, тогда как для современных ИМС ОЗУ - всего десятки и даже единицы наносекунд. Для преодоления этого недостатка, применяется копирование содержимого ROM BIOS в 32-разрядную основную память. Этот прием называется созданием теневой памяти (shadowing).

Теневая память создается внутренним устройством управления памятью MMU микропроцессора. MMU копирует код ПЗУ в определенную область ОЗУ и присваивает ей те же адреса, по которым она исходно располагалась в ПЗУ, после чего доступ к самим ИМС ПЗУ отключается. Эта часть ОЗУ теперь рассматривается тоже как ПЗУ и защищается от записи. Применение, для организации теневой памяти, менеджера верхней памяти, стоит потери участка расширенной памяти, объемом, равным объему ПЗУ, для которого эта теневая память создавалась. Иногда области ОЗУ, не используемые под теневую память, переадресуются так, чтобы не получалось разрывов в адресном пространстве памяти. Но переадресация возможна только по целым сегментам, с точностью до 16 Кбайт, так что приходится “выбрасывать” иногда вплоть до 384 Кбайт памяти, чтобы можно было организовать доступ к верхней памяти РС. Это особенно заметно, когда при выполнении процедуры POST для РС, с установленными физически 4 Мбайт памяти (4096 Кбайт), выводится сообщение о наличии всего 3712 Кбайт ОЗУ. Это значит: 4096 Кбайт - 3712 Кбайт = 384Кбайт “потерялись”. Это и есть созданная теневая память, которая физически существует, но исключена из нормальной работы ОЗУ, т. к. в ней хранятся копии системного, видео, жестких дисков и проч. ROM BIOS.

Контрольные вопросы.

1. На каких типах ПЗУ может быть организована подсистема ROM BIOS?

2. Для чего, главным образом, используется ROM BIOS?

3. Зачем ROM BIOS копируется в DRAM?

4. Что делается для защиты копии ROM BIOS в DRAM?

5. Как защищается от ошибок сама ROM BIOS?

6. В чем достоинства и недостатки flash-ROM BIOS?

7. Как ускоряется работа с ПЗУ ROM BIOS в РС?

1.4.5.4) Подсистема CMOS-памяти и часов реального времени RTC

В РС ХТ аппаратная конфигурация РС (объем памяти, количество и типы дисководов, тип видеоподсистемы и т. п.) задавались DIP-переключателями, состояние которых опрашивалось системой BIOS перед выполнением POST-программы. При изменении аппаратной конфигурации (реконфигурировании АПС) требовалось изменять состояние этих переключателей на системной плате вручную, что не просто, т. к. их назначение и расположение на системной плате специфично для каждого ее типа. В РС/АТ, для хранения подобной информации, состав которой, кстати, заметно расширился, ввели специальную микросхему памяти небольшого объема, питание которой при выключенном компьютере осуществляется от специальной батарейки или аккумулятора. В ту же микросхему поместили и часы-календарь (чтобы часы не останавливались, когда компьютер выключен). А чтобы снизить потребление мощности от батарейки, выбрали структуру КМОП (CMOS - Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor - комплиментарный полупроводник, выполненный по металло-оксидной технологии на полевых транзисторах). Эта память и часы - CMOS Memory and Real Time Clock (RTC) стали стандартным элементом архитектуры РС/АТ. Содержимое этой памяти, время и дату модифицировали сначала с помощью внешней загружаемой утилиты SetUp, а позже эту утилиту встроили в BIOS. Эта микросхема CMOS RTC имеет встроенную систему контроля питания, отслеживающую разряд батареи ниже допустимого уровня. При разряженной батарее BIOS при загрузке ОС выводит на монитор сообщение типа:

CMOS battery state low

CMOS display type mismatch

RUN SETUP UTILITY

Press <F1> to RESUME

(низкое напряжение батареи питания CMОS-памяти. Содержимое CMOS-памяти неправильно. Запустите утилиту SETUP. Нажмите F1 для ее вызова).

Отсутствие ошибок в CMOS-памяти, проверяет BIOS при загрузке ОС, с помощью контрольной суммы, формирующейся при модификации содержимого CMOS-памяти и хранящейся в ней же.

Доступ к ячейкам CMOS RTC осуществляется CPU через порты ввода-вывода 70h (адрес ячейки) и 71h (данные).

Назначение ячеек SMOS RTC приведено в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Стандартное назначение ячеек CMOS RTC.

Адрес	Назначение
00 - 09h	Ячейки RTC в BCD-формате: 00 - секунды 01 - секунды будильника 02 - минуты 03 - минуты будильника 04 - часы 05 - часы будильника 06 - день недели 07 - день месяца 08 - месяц 09 - год (2 младшие цифры)
0Ah	RTC Status Register А (регистр состояния) Бит 7 - обновление времени (0- готов к чтению) Биты 6:4 - делитель частоты )для 32,768 КГц = 010 Биты 3:0 = 0110 - выходная частота меандра 1024 Гц
0Bh	RTC Status Register B (регистр состояния) бит 7 - остановка часов (0= нормальный ход) бит 6 - разрешение прерываний (0= запрещено) бит 5 - разрешение прерываний от будильника (0= запрещено) бит 4 - разрешение прерываний по окончании смены времени (0=запрещено) бит 3 - разрешение выходного меандра (0=запрещено) бит2 - формат BIN/BCD# бит 1 - 24/12# -часовой режим бит 0 - зимнее/летнее время (0= переключение запрещено)
0Ch	RTC Status Register C - флаги прерываний: бит 7 - IRQF - общий запрос прерываний бит 6 - PF - периодические прерывания бит 5 - AF - прерывание от будильника бит 4 - UF - прерывание по смене времени биты 3 - 0 - зарезервированы
0Dh	RTC Status Register D Бит 7 - питание (1 - норма, 0 - разряд) Биты 6:0 - зарезервированы
0Eh	POST Diagnostic Status Byte^ Бит 7 - power Lost (терялось питание CMOS) Бит 6 - Checksum Bad Бит 5 - Bad config Бит 4 - RAM Size Error - определенный тестом размер ОЗУ не соответствует записи в CMOS Бит 3 - HDD Error Бит 2 - Time Valid- формальная ошибка часов-календаря (напр. 30 февраля, 25 часов) Биты 1:0 - зарезервированы
0F	Shutdown Code - используется POST для определения предыстории останова: 00 - аппаратный или программный сброс 01 - размер памяти определен 02 - тест памяти прошел 03 - ошибка в тесте памяти 04 - POST завершен, идет загрузка системы 05 - JMP FAR [0%0467h] с инициализацией контроллера прерываний 06 - тест защищенного режима прошел 07 - ошибка в тесте защищенного режима 08 - ошибка определения размера памяти 09 - перемещен блок Extended Memory (INT 15h) 0A - JMP FAR [0^0647h] без инициализации контроллера прерываний 0В - используется 80386
10h	Типы НГМД: Биты 7:4 - дисковод А Биты 3:0 - дисковод В 0= нет, 1 = 360 Кбайт, 2 = 1,2 Мбайт, 3 = 720 Кбайт, 4 = 1,44Мбайт
11h	Зарезервирован
12h	Типы НЖМД: Биты 7:4 - привод 0 Биты 3:0 - привод 1 0 = нет, 1 - Eh = типы 1 - 14, Fh = тип в байте 19h (для второго привода - в 1Ah)
13h	Зарезервирован
14h	Установленное оборудование: Биты 7:6 - количество НГМД (00 = 1, 01 = 2) Биты 5:4 - тип первичного видеоадаптера (00 = RGA или VGA, 01 = CGA 40 столбцов, 10 = CGA 80 столбцов, 11 = MDA 80 столбцов) Биты 3:2 - зарезервированы Бит 1 = 1 - математический сопроцессор подключен Бит 0 = 1 - есть НГМД
15 - 16h	Размер базовой памяти, Кбайт (Low/High) 0280h = 640Кбайт
17 - 18h	Размер расширенной памяти, Кбайт (Low/High)
19, 1Ah	Расширенный тип диска C, D
1B - 2Dh	Зарезервированы
2E - 2Fh	Контрольная сумма CMOS c 10h по 20h (High/Low)
30n - 31h	Реальный размер расширенной памяти, Кбайт(Low/High)
32 - 33h	Используются в PS/2
33h	Флаги POST: Бит 7 - наличие 128 Кбайт ОЗУ под границей 1 Мбайт (1 = есть, теневая память доступна) Бит 6 - флаг SetUp (1 = первая загрузка после выполнения флаг SetUp, обычно = 0)
34 - 3Fh	Зарезервированы (можно писать свою информацию для привязки ПО к машине)
38 - 3Fh	В PS/2 - пароль, доступ по несуществующим адресам 78 -7Fh

Cвободные ячейки CMOS RTC 34-3Fh иногда используют для привязки программного обеспечения к конкретному компьютеру, которая выполняется в процессе инсталляции ПО. В этом случае, если не сохранять образ CMOS-памяти на диске, то, при разрушении информации в CMOS, право на использование данного ПО в данном компьютере потеряется.

Контрольные вопросы.

1. Как задавались параметры аппаратной конфигурации в РС/ХТ?

2. Где хранятся параметры конфигурации в РС\АТ?

3. Почему для CMOS RTC используются КМОП-структуры?

4. Как осуществляется доступ к ячейкам CMOS-памяти?

5. Как модифицируется содержимое CMOS-памяти?

6. Каким способом информация CMOS-памяти защищается от ошибок?

1.5 Периферийные устройства РС

Вычислительная часть компьютера (АПС) включает в себя центральный процессор с его обрамлением (обвеской), подсистему оперативной памяти вместе с кэш-памятью и их контроллерами и подсистему ROM BIOS, размещенные на системной плате.

К внешним (периферийным) устройствам вычислительной системы относятся все те устройства ввода-вывода, устройства массовой памяти, аудио подсистему и т. д., которые подключаются к вычислительной части ВС через системную шину. Их номенклатура, как правило, различна для разных АРМ и состоит из базовой системы ввода-вывода оперативной (управляющей) информации и - дополнительного периферийного оборудования. Собственно базовая часть системы ввода-вывода оперативной информации тоже может изменяться в зависимости от классов задач, на которые ориентировано данное АРМ. Тем не менее, с персональным компьютером общего применения поставляется минимальный набор средств ввода-вывода для длительного и архивного хранения Soft-продуктов и информационных баз данных самого компьютера.

1.5.1 Система ввода-вывода оперативной информации

Система ввода-вывода оперативной информации ЭВМ включает в себя клавиатуру и дисплей, обязательно входящие в ВС. В случае РС, в базовый комплект дополнительно могут входить манипулятор типа "мышь", или трекбол, или сенсорная панель и джойстик.

1.5.1.1) Средства ввода оперативной информации

Обычная клавиатура выполняется на контактных или бесконтактных датчиках нажатия клавишей. Простейшие клавиши при их нажатии просто замыкают столбец выбора со строкой выбора нажатой клавиши. Это - клавиши шилдовой конструкции, самые простые и дешевые. Их недостатки: малая надежность, из-за возможности попадания пыли и вязких жидкостей под контакты, и - ограниченный срок службы контактов вследствие усталости металла и окисления. Разновидностью шилдовой клавиатуры является пленочная (мембранная) клавиатура, в которой контактные площадки и замыкающие перемычки выполнены печатным способом на гибком слое диэлектрика (лавсановой или ПЭТФ-пленке). Эта клавиатура менее чувствительна к пыли, влажности, но и менее долговечна, чем шилдовая, из-за старения пленки, не вполне удобна в эргономическом смысле (оператору привычнее получить какой-то тактильный "отзыв" на нажатие, иначе он непроизвольно начинает сильнее давить на клавиши, от чего больше устают пальцы). Такие типы клавиатуры технологически проще, следовательно - дешевле.

Лучше работают клавиатуры герконовой конструкции (ГЕРметизированный КОНтакт), где контакты клавишей герметизированы в стеклянной ампуле и управляются миниатюрным постоянным магнитом, перемещаемым плунжером клавиши. Магнит должен перемещаться вдоль оси геркона, иначе чувствительность геркона падает, и надежность срабатывания уменьшается.

Контактные пластинки геркона выполняются не из стали, а для уменьшения остаточной намагниченности - из чистого железа. Иначе, остаточно намагниченные пластинки останутся притянутыми друг к другу и при отсутствии внешнего магнитного поля. Чистое железо, как известно, очень активно окисляется, поэтому ампула заполняется восстановителем окислов - водородом. Тем не менее, герконовая клавиатура все-таки не очень надежна, - иногда возникают "залипания" контактов из-за остаточной намагниченности контактов. Кроме того, герконовая клавиатура толще пленочной или шилдовой, так как герконы приходится располагать вертикально.

Более надежны клавиши с датчиками Холла. Эффект Холла заключается в том, что если через кристалл полупроводника пропустить электрический ток, то на боковых гранях кристалла разности потенциалов не образуется. Но если этот кристалл с током поместить в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, то на боковых гранях, перпендикулярных как направлению тока, так и направлению магнитного поля, образуется разность потенциалов, пропорциональная силе тока и напряженности магнитного поля. Устроены клавиши с датчиками Холла так, что при нажатии клавиши постоянный магнит перемещается плунжером в зону датчика, а при отпускании - выходит из нее. Это вполне надежная клавиатура, но достаточно дорогая, ими снабжаются специальные, а не простые персональные компьютеры.

Другой способ съема нажатия клавиш использует магниторезистивный эффект - свойство некоторых материалов, в том числе и полупроводниковых, изменять свое сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля. Клавиши с датчиками Холла или магниторезисторами часто имеют встроенное в модуль клавиши электронное пороговое устройство (триггер Шмидта), которое четко фиксирует нажатие-отпускание клавиши и устраняет "дребезг контакта", свойственный всем контактным системам.

Встречаются клавиатуры с емкостными датчиками нажатия, когда при нажатии на клавишу увеличивается емкость между строкой и столбцом матрицы клавишей. Они тоже достаточно надежны, но требуют для своей работы высокочастотного генератора не только для синхронизации микроЭВМ контроллера любой клавиатуры, но и дополнительного генератора для датчиков клавиатуры емкостного типа.

При установке клавиатуры в РС следует убедиться, что BIOS правильно реагирует на скан-коды, выдаваемые KBD. Клавиши в узлах матрицы располагаются чаще по системе QWERTY, реже - по системе Дворака-Дилея, а для русифицированных машин - по системе ЙЦУКЕНГ, однако, существуют и другие варианты расположения клавиш, на скан-коды которых BIOS может реагировать неадекватно.

При нажатии шилдовой, пленочной или герконовой клавиши сопротивление контакта уменьшается теоретически от бесконечности до нуля, но практически в меньших пределах и, что хуже всего, - немонотонно, что вызывает так называемый "дребезг контакта", приводящий к тому, что контроллер клавиатуры фиксирует несколько нажатий и отпусканий при каждом однократном нажатии клавиши. Это проявляется в виде нескольких повторов приема кода нажимаемой клавиши. Для уменьшения "дребезга контактов", в простых KBD на каждую клавишу ставился интегрирующий RC-фильтр. Это самое простое, но не самое лучшее решение: RC-фильтр заметно уменьшает сигнал, снимаемый с клавиши, его частотные характеристики не оптимальны, он плохо фильтрует низкочастотные составляющие и задерживает сигналы нажатий клавишей. В кодирующей клавиатуре IBM PC и его клонов, для защиты от "дребезга", контроллером KBD вводится задержка в несколько миллисекунд от появления первого сигнала нажатия до его обработки, за которые дребезг должен закончиться. Достаточно совершенная система антидребезговой защиты включает до 128 попыток чтения нажатой клавиши и код сканирования матрицы клавишей считается достоверным, только если не менее 32 попыток подряд дают один и тот же код, иначе код считается фантомным и отфильтровывается.

Манипулятор "мышь" очень удобен при работе с графикой и оболочками ОС, использующими пиктограммы, но он может только фиксировать координаты курсора на экране, а вводить символьную информацию "мышью" слишком долго и неудобно.

Одна разновидность манипулятора "мышь", Mouse Serial, подключается к СОМ-порту и использует IRQ4 для СОМ1 или IRQ5 для СОМ2. Другая, System Mouse, подключается к системной шине через специальный контроллер.

Распределение сигналов на разъеме последовательной "мыши" следующее:

DATA - 2 / 3,

GND - 5 / 7,

+5 V - 4, 7 / 4, 20,

-5 V - 3 / 9.

Здесь номера контактов перед символом слэж относятся к 9-контактному разъему СОМ-порта, а после - к 25-контактному.

Манипулятор трекбол - вращающийся шар, также предназначен для фиксации координат курсора на экране монитора. Он не требует дополнительного места на столе, более надежен в работе (нет соединительного кабеля) и часто используется в РС конструкций LapTop. Работать с ним менее удобно, чем с мышью, так как для нажатия кнопок на "мыши" у вас свободны пальцы, а для работы с трекболом приходится переносить пальцы на кнопки.

В последнее время в РС, особенно конструкций LapTop, применяется сенсорная панель, называемая также Wersa Glade или Thouch Pad. Она очень удобна при работе с ОС, использующими пиктограммы, и не имеет недостатков “мыши” и трекбола. Для работы с ней нужно просто водить пальцем по небольшой сенсорной панели, расположенной на стандартной клавиатуре и курсор на экране повторяет движения пальца по сенсорной панели. Еще один вид манипулятора - Track Point, представляет собой небольшую кнопку, расположенную на стандартной клавиатуре в районе малой клавиатуры управления курсором. По сути эта кнопка работает как джойстик: в зависимости от направления нажатия на нее - влево, вправо, вверх или вниз в том же направлении смещается и курсор на экране. Trасk Point нажимают средним пальцем, а указательным и безымянным можно нажимать две другие, рядом расположенные клавиши, которые функционально идентичны левой и правой кнопкам “мыши”.

Манипуляторы типа джойстик предназначены исключительно для игр, авто- флай- и им подобных симуляторов. Джойстики выпускаются в двух модификациях:

- Кемпстон-джойстик, и

- пропорциональный джойстик.

Первый только фиксирует положение рукоятки подобно клавишам управления курсором на стандартной клавиатуре, а пропорциональный работает как "мышь", смещая курсор на экране монитора пропорционально углу отклонения рукоятки джойстика от вертикального положения. Оба джойстика используются исключительно с игровыми программами и симуляторами (имитаторы управления автомобилем, самолетом и т. п.).

Все вышеперечисленные устройства ввода требуют именно своих, специализированных средств программной поддержки (Firm Ware), т.е. соответствующих программ и драйверов.

К устройствам для массового или специального ввода информации в РС относятся сканеры, дигитайзеры (сколки) и т. д.

Контрольные вопросы.

1.Какие устройства входят в подсистему ввода-вывода оперативной информации РС?

2. Какие типы клавиатур используются в ПЭВМ?

3. В чем достоинства и недостатки KBD шилдовой системы?

4. Какие типы клавиатур наиболее надежны в работе?

5. Какие меры антидребезговой защиты применяются в РС?

6. Какие типы манипуляторов используются в РС?

7. Как подключается к РС serial mouse? system mouse?

8. Что за манипулятор Wersa Glade?

9. Какие разновидности джойстиков используются в РС, их особенности и области применения.

1.5.1.2) Средства вывода оперативной информации

Для вывода оперативной информации из РС используются дисплей и регистрирующие устройства - принтеры. Дисплей может быть выполнен:

- на вакуумном кинескопе телевизионного типа,

- на жидкокристаллической панели,

- на газоразрядной панели,

- на светодиодной матричной панели.

Видеомонитор на вакуумном кинескопе для обычного домашнего, офисного, управленческого использования часто подходит лучше всего. Он использует давно отработанный в телевидении способ формирования цветного изображения, обладает вполне хорошими скоростными характеристиками, высоким разрешением, яркостью и контрастностью, но тяжел по весу, громоздок, боится ударов и требует для своего питания высоких напряжений (до 25 киловольт), в связи с чем, имеет повышенный фон мягкого рентгеновского излучения. Но последнее заметно снижается применением специальных светофильтров или особой технологией изготовления стекла экрана, а остальные недостатки для стационарных условий эксплуатации не столь существенны.

Жидкокристаллическая панель (ЖКИ) имеет малый вес, конструктивно плоская, очень экономична, не требует для питания высоковольтных источников питания, мало чувствительна к ударам и пыли. По сравнению с видеодисплеями телевизионного типа, ЖКИ-панель имеет почти такую же разрешающую способность, но несколько уступает TV-дисплеям по скоростным характеристикам. Видеокарта поддерживает полосу частот видеосигнала в 35 МГц, что соответствует минимальному времени релаксации пикселей дисплея порядка 30 мксек. Дисплей на ЭЛТ практически обеспечивает время релаксации порядка 100 мксек, тогда как время релаксации современных ЖКИ-панелей превышает 8 мсек. Кроме того, качество изображения на ЖКИ-панели зависит от направления взгляда: при обзоре ЖКИ-панели с углов более 30⁰ от перпендикуляра к плоскости экрана, изображение теряет четкость и цветовую яркость. Так что ЖКИ-дисплеи для работы со скоростными мультимедийными приложениями, могут быть рекомендованы только с известными ограничениями.

В последних моделях ЖКИ-дисплеев многие из их недостатков уже устранены использованием современных высоких технологий, поэтому сейчас компьютеры все больше комплектуются именно ЖКИ-мониторами.

Газоразрядные панели используют свечение разреженного газа в электрическом поле. Плоские, легкие, но только монохромные, с относительно невысокой разрешающей способностью и требуют для своего питания повышенного напряжения (100-120 вольт). Используются в РС специального назначения.

Светодиодные панели (СДП) - плоские, яркие, управляются низким напряжением, цветные, ударопрочные, быстрые, но их разрешающая способность уступает телевизионным кинескопам и ЖКИ-панелям, так как каждый цветной пиксель образован тремя светоизлучающими кристаллами полупроводника, да и мощность потребления СДП довольно значительна (порядка 500 Вт).

Интерфейс видеоподсистемы.

Видеосигналы управления монитором вырабатываются не системной платой, а на адаптерах-контроллерах монитора, вставляемых в слот расширения системной шины, или интегрированных непосредственно на системную плату компьютера.

Плата (карта) видеомонитора, называемая также видео-картой, содержит схему поддержки алфавитно-цифровой информации, она же может поддерживать режим побитовой графики, в отличие от векторной графики, когда изображение формируется не из точек, пикселей, а из отрезков линий.

Видеокарта, в зависимости от ее назначения, может вырабатывать следующие сигналы:

- полный видеосигнал (выведен на разъем RCA),

- набор RGB-сигналов и сигналов строчной и кадровой синхронизации (выведен на 9- или 12-контактный разъем, расположенный под разъемом RCA).

RCA работает с видеовходом монитора подобно видеоплейеру с телевизором. В этом случае, дисплей должен уметь работать с полным видеосигналом, характеристики изображения при этом получаются несколько хуже, а монитор - сложнее.

RGB-монитор обрабатывает:

- три цветовые составляющие: R, G и В (красная, зеленая, синяя),

- сигнал яркости (интенсивности),

- сигналы синхронизации растра.

Видеокарта содержит встроенную RAM, в которую программно записываются страницы информации, подлежащие выводу на дисплей. Видеопамять (VDRAM) видео-карты имеющая объем 256 Кбайт и более, начинается с адреса, определяемого типом видеосистемы (MDA, CGA, VGA, SVGA) и содержит в алфавитно-цифровом режиме по два байта на символ - код символа ASCII и код атрибута символа. Код атрибута определяет цвет символа, цвет фона, яркость символа, негативность высветки символа, режим мерцания.

В чисто графическом режиме, не работе псевдографикой, при которой каждый элемент деловой графики - тоже некоторый символ, видео-RAM содержит полную бинарную копию экрана с атрибутами каждого пикселя. Контроллер видеокарты для этого должен быть соответственно перепрограммирован.

Для вывода на экран алфавитно-цифровой (АЦ) информации, код символа ASCII должен быть переработан в точечный образец символа, который в дальнейшем и будет воспроизведен на экране. Это преобразование происходит в ПЗУ (или ОЗУ) знакогенератора видеоконтроллера. Опрос знакогенератора происходит по адресам, соответствующим ASCII-кодам символа, из которых считывается уже матрица 8х8 или более точек, составляющая собственно образ символа на экране.

Упрощенная блок-схема видеоадаптера VGA приведена на рисунке 1.9.

------¬ -------¬ ------¬ -----¬
канал в/в ¦ ШнФ ¦ ¦видео-¦ ¦ ПЗУ ¦ -------¬ ¦ ЦАП¦ сигнал
--------->¦ ¦--T-->¦память¦---->¦ ¦-->¦Рг сдв¦-->¦ ¦------>
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ->L------- ¦ ¦ яркости
L------ ¦ L--T---- L--T--- ¦ ---------->¦ ¦
¦ ¦ряд в строке¦ ¦ ¦ гаш.курс ¦ ¦
¦ ---+--¬---------- сдв¦ ¦ ------->L-----
--------¬ L-->¦контр¦--------------- ¦ ¦ аттр.
¦ген. ТИ¦---->¦ ЭЛТ ¦----------------- ¦
L-------- ¦ ¦-------------------- RGB
¦ ¦-------------------------------------->
¦ ¦ ----------¬ ------¬ КСИ
¦ ¦----->¦секвенсор¦---->¦ ФКИ ¦--------->
¦ ¦ ¦ ¦-¬ L------
L------ L---------- ¦ ------¬ ССИ
L-->¦ ФСИ ¦--------->

L------

Рисунок 1.9.. Блок-схема видеоадаптера VGA.

На приведенной схеме:

Контроллер ЭЛТ - основная компонента адаптера - СБИС VGA IC.

Генератор точек символов - ПЗУ МК3600 от 8х8 до 9х16 точек в матрице символа.

Видеопамять - 4 секции по 64 Кбайт.

Рг сдв - регистр сдвига, преобразующий параллельный код строки матрицы символа в последовательность яркостных точек в строке экрана.

ЦАП - добавляет к ним бланкирующие сигналы и сигналы гашения обратного хода луча, а также определяет режим вывода символа (яркий, мигающий и т. д.) и формирует амплитудно-модулированный сигнал яркости для ЭЛТ.

Контроллер ЭЛТ, в зависимости от атрибутов символа, формирует сигналы цветов символа и фона, мерцания, негативности, яркости.

Секвенсор формирует сигналы кадровой (КИ) и строчной (СИ) синхронизации генераторов разверток дисплея.

ФКИ и ФСИ - формирователи кадровых и строчных импульсов синхронизации соответственно.

Генератор ТИ синхронизирует работу видеоадаптера и имеет две кварцованные частоты 25,175 и 28,322 МГц; меньшая - для вывода 8-битовой строки символа, большая - для 9-битовой.

Разрешающая способность дисплея программируется в секвенсоре через контроллер ЭЛТ. Сам контроллер ЭЛТ тоже программируется и, используя информацию об атрибутах символа из VIDEO-RAM, управляет цветовыми и яркостным каналами, вырабатывает синхросигналы разверток, следит за тем, чтобы номер строки выводимого символа соответствовал строке на экране, определяет частоту сдвига в регистре сдвигов, в зависимости от требуемого разрешения (числа точек в строке), и регенерирует VIDEO-RAM. В нем же есть регистр положения курсора на экране и признак его выключения.