Архитектура микропроцессора

    В отличие от  гибких дисков, физический и логический  форматы которых устанавливаются  в процессе форматирования дискеты,  жесткие диски поступают к  потребителю с определенным физическим  форматом. Логическая структура  жесткого диска устанавливается  пользователем, причем это должно  быть сделано до применения  этого диска операционной системой. Установка логической структуры  диска выполняется в два этапа.  Сначала жесткий диск разбивается  на части, каждая из которых  может использоваться своей операционной  системой. Далее каждую из этих  частей необходимо отформатировать  в соответствии с требованиями  той операционной системы, для  которой она предназначена.

    Наиболее часто  применяются форматы данных, соответствующие  фиксированным числам секторов  на одной дорожке, например, форматы  с 17 или 32 секторами на дорожке.  При этом емкость информации  в одном секторе колеблется  от 512 до 1024 байт.

   Для организации  хранения и учета данных на  диске можно использовать различные  схемы, каждая из которых имеет  свои достоинства и недостатки  с точки зрения эффективности использования пространства памяти диска, скорости доступа, безопасности и качества хранения данных.

   В настоящее время  наиболее распространены НЖМД  емкостью от 80 до 2400 Мбайт. Вместе  с тем нередкими стали конфигурации  ПЭВМ, включающие НЖМД типа "винчестер"  емкостью в 500 Мбайт и даже  в 1 Гбайт.

   Важным параметром  для пользователя является время  доступа, характеризующее скорость  чтения и записи информации  на диски. Для наиболее распространенных  НЖМД оно колеблется от 14 до 70 мкс. Реальная скорость работы НЖМД в большой степени зависит от типа используемой программы. Так, обработка больших массивов информации, требующая многократного поиска одиночных сведений, может неожиданно для пользователя занять весьма значительное время. Еще более продолжительной может оказаться обработка сложных изображений.

    Расширение внешней  памяти достигается подключением  к системному блоку стриммера. Стриммер - это устройство для быстрой перезаписи данных с жесткого диска на магнитную ленту. Обычно емкость стриммера колеблется от 80 до 525 Мбайт.

          В последние годы появились  устройства для хранения информации  на оптических (лазерных) дисках»  Их емкость измеряется гигабайтами  и даже десятками гигабайт, однако  в большинстве случаев такие  диски не допускают перезаписывания,  поэтому используются для хранения  постоянной информации (например, сложных  компьютерных игр с высокоразвитой  графикой).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Схемное решение  интерфейсов микроконтроллеров.

В данной статье описаны  наиболее часто используемые схемные  решения для подключения к  микроконтроллерам таких устройств  как кнопок, реле, светодиодов и  семисегментных индикаторов.

• 1. Параллельные выходы
• Управление светодиодами или оптронами
• Управление реле
• Управление светодиодными цифровыми индикаторами
• 2. Параллельные входы
• Кнопки и переключатели

3.1. Параллельные  выходы

Одним из наиболее простых, но одновременно и наиболее важных и частых применений параллельных портов микроконтроллера можно назвать  управление различными устройствами. В данном случае речь пойдет об управлении типа «включить/выключить».

В качестве выходов параллельные порты могут применяться для  управления реле, симисторами, светодиодными индикаторами и т. д.

 

3.1.1 Управление  светодиодами или оптронами.

Управление светодиодами — самое простое, что может  встретиться при изготовлении схем на микроконтроллерах. Как известно, светодиоды потребляют достаточно маленький  ток — в зависимости от типа светодиода этот ток может составлять от 3 до 20 мА. Рабочее напряжение светодиодов  составляет примерно от 1,5 до 4 В.

Так как ток, который микроконтроллеры семейства AVR могут отдавать при  напряжении «логический ноль» на выходной линии, может достигать 20 мА, можно управлять светодиодом  просто подключив его к выходной линии порта последовательно с ограничивающим ток резистором. Второй вывод этой цепочки следует подсоединить к положительной линии питания.

Стоит обратить внимание на то, что подключать следует именно таким образом — при напряжении «логическая единица» микроконтроллер  может отдавать гораздо меньший  ток. А значит, его нельзя будет  применить для управления светодиодом  напрямую. Более подробно можно узнать величины допустимых токов, воспользовавшись фирменной документацией на микроконтроллеры.

Управлять светодиодом предельно  просто: так как один его вывод  подключен к положительному проводу  питания, для того, чтобы он стал светиться (т. е. падение напряжения на нем стало достаточным для  зажигания), нужно сформировать на втором выводе цепочки со светодиодом напряжение низкого уровня «0». Говоря проще, для  того, чтобы зажечь светодиод, надо записать в выходной порт значение «0». Чтобы погасить — записать «1».

На рис. 3.1 изображена простая  схема с двумя светодиодами.

Рис.3.1. Простейшая схема для управления двумя светодиодами

Таким же образом можно  подсоединить и большее количество светодиодов — вплоть до того, что  ко всем линиям портов ввода/вывода. Однако следует иметь в виду очень  важный факт — хотя каждый выход  микроконтроллера может управлять  нагрузкой до 20 мА, общий потребляемый ток от всех линий портов ввода/вывода не должен превысить определенного  значения. В зависимости от типа корпуса микроконтроллера и числа  его линий портов ввода/вывода его  величина может быть различной. Точно  это значение можно узнать в фирменной  документации на микроконтроллер.

Например, для микроконтроллера AT90S2313 имеются следующие ограничения: суммарный ток нагрузки при «0»  на выходах не должен превышать 200 мА, причем суммарный ток линий D0—D5 не более 100 мА и суммарный ток  линий B0—B7 и D6 также не должен превышать 100 мА. Легко увидеть, что если нагрузить  все выходы по 20 мА, то можно превысить  допустимый ток, что может повредить  микросхему.

Аналогично можно управлять  оптопарами, ведь по-существу, они представляют собой размещенные в одном корпусе напротив друг друга светодиод и фоточувствительный элемент — фоторезистор, фототранзистор, и т. д. Например, используя оптопару со встроенным фотосимистором  можно управлять высоковольтной нагрузкой. При этом достигаются такие важные цели, как гальваническая развязка высоковольтных цепей и схемы управления, отсутствие искрового промежутка.

3.1.2 Управление  реле.

Для питания обмотки реле требуется ток, превышающий 20 мА, поэтому  напрямую подключить к микроконтроллеру его нельзя. Для управления реле, можно применять простейший усилитель  — транзисторный ключ. На рис. 2 показан  пример схемы с реле. Обратите внимание на наличие диода, подключенного  параллельно обмотке реле — он нужен для защиты схемы от ЭДС  самоиндукции, появляющейся в процессе коммутации обмотки.

Рис. 3.2. Использование реле

Совершенно аналогично можно  включать не реле, а какую-либо другую нагрузку, например, лампу накаливания  и т. д.

В случае, если необходимо управлять большим числом реле, или других мощных нагрузок, удобно применять микросхемы ULN2003 или ULN2803. Эти микросхемы содержат соответственно, 7 и 8 транзисторных ключей на составных транзисторах (схема Дарлингтона). Они позволяют управлять нагрузкой до 500 мА при напряжении до 50 В. При этом входы этих микросхем можно подключать непосредственно к линиям портов ввода/вывода микроконтроллера. Внутри микросхем уже имеется встроенный защитный диод, который можно подключать или отключать, осуществляя внешние соединения. На рис. 3 показан пример схемы с использованием микросхемы ULN2003.

Рис. 3.3. Применение микросхемы ULN2003

Для включения нагрузки следует  сформировать на соответствующем выводе микроконтроллера уровень «1». При  этом ток, потребляемый от вывода порта  микроконтроллера, не превышает допустимый, в то же время, как осуществляется управление достаточно мощной нагрузкой.

3.1.3 Управление  светодиодными цифровыми индикаторами.

Так как светодиодные цифровые индикаторы, по-существу, представляют собой набор светодиодов специальной формы, расположенные так, чтобы при зажигании различных их комбинаций, получались цифры, управление ими принципиально не отличается от управления отдельными светодиодами. На рис. 3.4 изображен пример схемы управления семисегментным светодиодным индикатором.

Рис. 3.4. Управление цифровым индикатором

Легко увидеть, что если потребуется  управлять большим числом индикаторов, количества выводов портов ввода/вывода будет недостаточно. Для преодоления  этого препятствия применяется  динамическая индикация. На рис. 3.5 показан  пример схемы динамической индикации. Идея, лежащая в основе работы этой схемы очень проста — человеческий глаз достаточно инерционен, поэтому можно зажигать не все индикаторы одновременно, а только один из них, потом через короткое время другой и так далее. Так как переключение индикаторов происходит достаточно быстро, человеку кажется, что все индикаторы горят.

Рис. 3.5. Динамическая индикация

3.2. Параллельные  входы

Параллельные входы обычно применяются для контроля состояния  различных коммутационных элементов: кнопок, переключателей, блока контактов  и т. д. Также можно проверять состояние некоторых видов датчиков, но при этом может потребоваться дополнительная схема, преобразующая состояние датчика к логическим уровням (например, уровень воды в баке ниже или выше определенной высоты и т. д.). Очень часто входы параллельных портов применяются для контроля состояния кнопок управления устройством.

3.2.1Кнопки  и переключатели

Проверять состояние кнопок или выключателей достаточно просто. Достаточно подсоединить, например, кнопку одним выводом к общему проводу, а другим — ко входной линии порта ввода/вывода, настроенной для работы в режиме чтения. Также эта линия должна быть соединена через резистор сопротивлением примерно 4,7... 100 кОм с проводом «+» питания. При большем сопротивлении меньше суммарный потребляемый ток.

При разомкнутых контактах, на соответствующем выводе микроконтроллера будет «1», при замыкании контактов  — «0».

Все механические выключатели  имеют недостаток — при работе с ними наблюдается так называемый дребезг контактов, при котором  при нажатии на кнопку происходит много замыканий и размыканий контактов из-за того, что они как правило, пружинят. Длительность периода дребезга зависит от качества контактов и обычно составляет от 10 до 100 мс. Бороться с этим эффектом проще программным способом. На рис. 6 показаны графики, иллюстрирующие дребезг контактов, а на рис. 3.7 приведена простейшая схема с кнопкой.

Рис. 3.6. Явление «дребезг контактов»

Рис.3.7. Подключение кнопки к микроконтроллеру

Для реализации большого числа  кнопок управления используют матричную  схему соединения клавиатуры. Пример подобной схемы изображен на рис.3.8.

Рис.3.8. Использование матричной клавиатуры

 

 

 

 

 

4. Топология компьютерных  сетей.

4.1.  Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети один относительно одного и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, в первую очередь, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно спрятана от пользователей не слишком важная, потому что каждый сеанс связи может выполняться по своему собственному пути.  
         Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Существует три основные топология сети:

          1. Сетевая топология шина (bus), при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем другим компьютерам (рис.4.1);

          2. Сетевая топология звезда (star), при которой к одному центральному компьютеру присоединяются другие периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи (рис. 4.2);

           3. Сетевая топология кольцо (ring), при которой каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего компьютера в цепочке, и эта цепочка замкнута в «кольцо» (рис.4.3).  

 

 
Рис. 4.1. Сетевая топология «шина» 
 
Рис. 4.2. Сетевая топология «звезда» 
 
Рис. 4.3. Сетевая топология «кольцо»

 

На практике нередко используют и комбинации базовой топологии, но большинство сетей ориентированные  именно на этих три. Рассмотрим теперь коротко особенности перечисленной  сетевой топологии.

Топология «шина» (или, как ее еще называют, «общая шина») самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать только по очереди, потому что линия связи единственная. В противном случае переданная информация будет искажаться в результате наложения (конфликту, коллизии). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).  
       В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, которая увеличивает ее надежность (ведь при отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая этим центром система). Добавление новых абонентов в шину достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходит два кабеля, что не всегда удобно. 
      Потому что разрешение возможных конфликтов в этом случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента, аппаратура сетевого адаптера при топологии «шина» выходит сложнее, чем при другой топологии. Однако через широкое распространение сетей с топологией «шина» (Ethernet, Arcnet) стоимость сетевого оборудования выходит не слишком высокой. 
      Шине не страшные отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети могут нормально продолжать обмен. Может показаться, что шине не страшный и обрыл кабелю, поскольку в этом случае мы одержимо две полностью работоспособных шины. Однако через особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств – терминаторов, показанных на рис. 4.1 в виде прямоугольников. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Так что при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть. Любой отказ сетевого оборудования в шине очень трудно локализовать, потому что все адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто. 
          При прохождении по линии связи сети с топологией «шина» информационные сигналы ослабляются и никак не возобновляются, что налагает твердые ограничения на суммарную длину линий связи, кроме того, каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния к передаточному абоненту. Это выдвигает дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования. Для увеличения длины сети с топологией «шина» часто используют несколько сегментов (каждый из которых являет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных обновителей сигналов - репитеров. 
Однако такое наращивание длины сети не может длиться бесконечно, потому что существуют еще и ограничения, связанные с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.