Интерфейсы параллельные и последовательные, синхронные и асинхронные

Объединение модулей МПС в единую систему и взаимодействие МП с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса (от английского interface – сопрягать, согласовать).

Интерфейс – это комплекс линий и шин, сигналов и электронных схем, алгоритмов и программ, обеспечивающих обмен информацией между различными функциональными устройствами МПС и между самими МПС. Интерфейс – понятие обобщающее. Можно выделить:

· логическую среду интерфейса – это правила и алгоритмы обмена (их часто называют протоколами), а также программы, реализующие обмен;

· физическую среду интерфейса – это вид и параметры сигналов;

· конструктивную среду интерфейса – это электронные схемы, вид и количество линий связи, тип электрических разъемов.

Интерфейс выполняет очень важную роль в МПС. Производительность, надежность и эффективность использования МПС определяется не только характеристиками входящих в ее состав устройств, но в очень большой степени характеристиками интерфейсов, связывающих устройства МПС.

Интерфейс должен обеспечить:

· возможность реализовать МПС с различной конфигурацией, т.е. с различным составом устройств; включать в систему новые устройства без каких-либо переделок в аппаратуре, а лишь путем добавления программ, обслуживающих данные устройства;

· возможность эффективной реализации обмена информацией в МПС, содержащей устройства со значительно различающимися скоростями передачи данных, причем в условиях, когда запросы на операции ввода/вывода от внешних устройств поступают в произвольные моменты времени и имеют разную относительную срочность исполнения;

· упрощение и унификацию программирования операций ввода/вывода с исключением необходимости учета особенностей того или иного типа внешнего устройства.

Указанные требования удается реализовать при использовании стандартных интерфейсов МПС.

Стандартный интерфейс – это комплекс унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для взаимодействия различных функциональных устройств (модулей) МПС. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интерфейса; набор линий, сгруппированных по функциональному назначению, принято называть шиной интерфейса. Унификация правил взаимодействия направлена на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости. Именно унификация и стандартизация лежат в основе построения интерфейсов.

Информационная совместимость достигается за счет единых требований, предъявляемых к структуре и составу линий интерфейса, алгоритмов взаимодействия, способам кодирования и форматам данных, управляющей и адресной информации, временными соотношениями между сигналами.

Электрическая совместимость означает согласованность параметров электрических и оптических сигналов, передаваемых средой интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов, способности компонентов и характеристикам используемых линий передачи (длина, допустимая нагрузка и т.д.).

Конструктивная совместимость означает возможность механического соединения электрических цепей, а иногда и механической замены некоторых блоков; этот вид совместимости обеспечивается стандартизацией соединительных элементов (разъемов, штеккеров и т.п.), кабелей, конструкций плат и т.д.

Реализация стандартного интерфейса определяется документом (стандартом), его описывающим. Соблюдение стандарта обеспечивает совместимость изделий разных производителей и гарантирует получение заявленных характеристик интерфейса.

К основным характеристика интерфейса относят: функциональное назначение; тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена; режим обмена; количество линий интерфейса; число линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линий связи.

В настоящее время разработано и используется несколько десятков стандартных интерфейсов. Все это разнообразие можно разбить на две группы по выполняемым функциям:

· системные интерфейсы, обеспечивающие сопряжение внутри модулей, между модулями МПС;

· внешние интерфейсы, которые обеспечивают связь МПС с внешними устройствами, а также между самими МПС. Эти интерфейсы часто называют интерфейсами ввода/вывода.

Внешние интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

1) видом связи. Различают:

· дуплексную связь (сообщения могут передаваться одновременно в двух направлениях, что требует двух отдельных каналов связи);

· полудуплексную связь (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно возможна передача только в одном. Используется один канал связи, но он может переключаться для изменения направления передачи);

· симплексную связь (сообщения могут передаваться только в одном направлении);

2) пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени (измеряется в Кбит/с или Мбит/с);

3) максимально допустимым расстоянием между устройствами.

Конкретные значения этих параметров зависит от множества факторов, в частности, от информационной ширины интерфейса, т.е. числа разрядов передаваемых данных, способа синхронизации, среды интерфейса, организации линий интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединения устройств и использования линий.

Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельной форме, соответственно интерфейсы принято делить на последовательные и параллельные.

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется по одному информационному каналу. Этот канал может состоять из одной сигнальной линии и обратного провода (такие интерфейсы называют однопроводными). В общем случае число линий может быть и больше. По дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи.

В параллельном интерфейсе передача сообщений выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m сигнальным линиям. Величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены интерфейсы, в которых m=8 или m=16.

Синхронная и асинхронная передача информации. Взаимодействие передатчика и приемника предполагает согласование во времени моментов передачи и приема кванта информации. При синхронной передаче передатчик поддерживает постоянные интервалы между очередными квантами информации в процессе передачи всего сообщения. Приемник независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в темпе их выдачи.

Синхронный режим передачи при последовательном интерфейсе может быть реализован двумя способами:

1) с использованием внутренней синхронизации;

2) с использованием внешней синхронизации.

При использовании внутренней синхронизации передатчик в начале сеанса передачи сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN. Переход линии интерфейса из состояния «1» в состояние «0» используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике; приемник распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс показан на рис. 1,а. Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые должны обладать высокой стабильностью частоты.

Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт «обрамляется» стартовым и стоповыми битами, как показано на рис. 2. Стартовый бит изменяет состояние линии интерфейса с «1» на «0» и служит для запуска генератора в приемнике; стоповый бит переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале передачи одного байта информации.

Рис.1. Синхронная передача данных: а) – при внутренней синхронизации; б) – при внешней синхронизации

Рис. 2. Асинхронная передача последовательных данных

Соединение устройств и организация линий интерфейса. Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двухточечная схема) или общей для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют специальную схему управления интерфейсом, называемую арбитром.

Организация линий интерфейса. Помимо деления линий на индивидуальные и коллективные, их принято делить по критерию возможного направления передачи на одно- и двунаправленные, а по критерию возможности совмещения передачи различных видов информации на полностью совмещенные, с частичным совмещением и полным разделением.

При изменении электрического потенциала сигнал распространяется по проводнику во всех направлениях одинаково (со скоростью света), поэтому термины «однонаправленная» и «двунаправленная» означают не направление распространения сигнала по линии, а право изменять потенциал на ней. Правом изменять потенциал линии обладает передатчик. Таким образом, если передатчики располагаются с обоих концов линии, то ее называют двунаправленной. Для устранения возможных конфликтов на линии выходные каскады передатчиков должны быть выполнены на логических элементах с тристабильным выходом или с открытым коллектором (открытым стоком).

Между центральным и периферийными устройствами (ПУ) необходимо передавать информацию различных типов: адреса, данные, сигналы управления. Если для передачи каждого вида информации предусматриваются отдельные шины, то их называют шинами с полным разделением. Такие шины во внешних интерфейсах применяются очень редко, так как обмен с ПУ имеет последовательный характер: например, вначале необходимо произвести адресацию, т.е. отключить от магистрали все ПУ, кроме одного, этому ПУ необходимо дать команду на выполнение определенных действий и лишь затем можно передать собственно данные. Совмещение передач различных видов информации по одной шине приводит к сокращению числа линий интерфейса, однако требует идентификации передаваемой информации с помощью специальных сигналов.

Среда интерфейса. Наиболее распространены в интерфейсах электрические сигналы. В последовательных интерфейсах используются однопроводный и двухпроводный методы передачи сигналов.

На рис. 3,а приведена схема соединений передатчика Пд и приемника Пр при однонаправленной однопроводной линии связи.

Рис. 3. Передача сигналов в последовательном интерфейсе:

а) – по однопроводной линии; б) – по двухпроводной линии

В однопроводной линии для передачи используется один сигнальный провод, напряжение на котором сравнивается в приемнике с напряжением провода «сигнальная земля», общим для всех сигнальных проводников. Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Это ограничивает длину линии расстоянием всего несколько десятков метров.

Передача сигналов по двухпроводной электрической линии позволяет значительно ослабить влияние помех. Используется дифференциальный способ передачи (рис. 3,б). Применяется дифференциальный передатчик и дифференциальный приемник. Двухпроводная линия выполняется обычно в виде витой пары. Сигнал передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения, тогда как помехи в линии остаются синфазными. Благодаря этому дифференциальный приемник практически не воспринимает эти помехи. Длина линии связи при использовании этого метода передачи может составлять сотни метров и даже несколько километров.

Небольшое число линий последовательных интерфейсов позволяет легко реализовать гальванические развязки между передатчиками и приемниками. Гальваническая развязка позволяет исключить уравнительные токи по общим проводникам и тем самым уменьшить взаимовлияние отдельных устройств, обладающих разным энергопотреблением, она позволяет снизить помехи на линиях интерфейса и защитить схемы управления при выходе из строя силовых управляемых цепей. Гальваническая развязка реализуется либо на одном конце линии связи, либо на обоих концах. Обычно для этой цели используются оптроны.

В последнее время в интерфейсах все шире применяются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Для их реализации имеется большое количество элементной базы с высокой степенью готовности к применению. Большим преимуществом ВОЛС является невосприимчивость к электромагнитным помехам. Неметаллическая природа среды передачи данных обеспечивает гальваническую развязку между устройствами интерфейса. Пропускные способности ВОЛС значительно выше пропускных способностей цифровых интерфейсов с электрической природой сигналов. Главным недостатком ВОЛС является высокая цена кабельного и приемопередающего оборудования.

Другой разновидностью оптической среды передачи данных являются оптические атмосферные каналы. Они нашли широкое применение в интерфейсах с небольшой пропускной способностью, работающих на расстоянии до нескольких метров в пределах прямой видимости. В таких системах обычно применяются излучатели на инфракрасных светодиодах. Открытость среды передачи данных делает невозможной одновременную работу нескольких систем в пределах одного помещения, а также ставит качество сигнала в зависимость от состояния атмосферы. Подобные линии передачи данных нашли широкое применение в бытовой технике, где обеспечивают взаимодействие пультов управления с приборами, обмен данными между мобильными устройствами и персональным компьютером и т.п.

Еще один класс атмосферных оптических систем связи реализуется на лазерах и позволяет создавать двунаправленные линии связи на большие расстояния. Здесь достижимы очень высокие скорости обмена данными (до терабита в секунду). Недостатком этих систем является высокая чувствительность к состоянию атмосферы (задымление, туман, снег и т.д.).

Для передачи данных могут использоваться и радиоканалы. Диапазон расстояний от нескольких метров до практически бесконечности. Пропускная способность ограничена сверху несущей частотой. Радиосреда передачи данных используется последовательными однопроводными интерфейсами. Очевидно, обеспечивается гальваническая развязка устройств. Однако, себестоимость реализации и энергопотребление довольно высокие. Кроме того, как правило, требуется лицензирование использования радиоканала. С развитием сотовой связи появилась возможность использовать ее для реализации пользовательских систем передачи данных.