Нас интересуют, прежде всего, системные интнрфейсы и интнрфейсы перефирийного оборудования

Машинные интерфейсы. Они предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ и систем.

Машинные интерфейсы соответственно можно разделить на три группы:

1) интерфейсы ввода — вывода в (из) ЭВМ с разделенными ин­формационными каналами к УВВ и ОЗУ;

2) интерфейсы ЭВМ с объединенным информационным каналом к УВВ и ОЗУ типа «общая шина» (ОШ). Типичными примерами этой архитектуры 3BM, являются миниЭВМ класса СМ ЭВМ, «Элек­троника 100-25», микроЭВМ «Электроника 60», «Электроника НЦ-80», а также некоторые классы персональных ЭВМ;

3) интерфейсы одноплатных ЭВМ с объединенным информацион­ным каналом к УВВ и ОЗУ типа ОШ, ориентированные на внутри­платное и внутрисхемное применение. Такие интерфейсы предназна­чены для организации сопряжения между составными компонента­ми МПК БИС и функциональных составных узлов сверхбольших интегральных схем (СБИС) микроЭВМ.

Интерфейсы периферийного оборудования. Они выполняют функ­ции сопряжения процессоров, контроллеров с УВВ, измерительны­ми приборами, исполнительными механизмами, аппаратурой пере­дачи данных (АПД) и внешними запоминающими устройствами.

Интерфейсы периферийного оборудования характеризуются ши­рокой номенклатурой и разнообразием периферийного оборудова­ния. Организация адресации и опроса, а также структура схемы управления интерфейсом в значительной степени определяются способом соединения устройств.

По этому признаку различают радиальный, магистральный, цепочный и комбинированный интер­фейсы.

Рис. 2. Способы подключения ПУ.

В радиальных интерфейсах используются индивидуальные для каждого ПУ линии, по которым производится передача только между этим ПУ и центральным устройст­вом (ЦУ). Все опера­ции по управлению и коммутации возлагают­ся на ЦУ, в состав ко­торого обычно входят специальные «интер­фейсные блоки» по од­ному для каждого ПУ. Такой интерфейсный блок содержит буферный регистр данных и регистр адреса, а также регистр признака готовности ПУ.

Все ПУ работают независимо друг от друга и могут переда­вать информацию в любой момент, когда свободен буферный регистр данных соответствующего интерфейсного блока; оче­редность приема информации из буферов определяется ЦУ.

Структура радиального интерфейса позволяет сравнительно про­сто приспосабливать различные ПУ к требованиям интерфейса,, что особенно важно при наличии большого числа разнообраз­ных и сравнительно простых устройств. Характерными примера­ми таких устройств являются датчики и исполнительные меха­низмы в системах централизованного контроля и управления технологическими процессами. Однако радиальная структура приводит к увеличению кабельных соединений и соответствую­щей усилительной аппаратуры.

В магистральных интерфейсах используются коллективные линии для всех ПУ (на основе разделения времени). Сигнал на любой линии становится доступным сразу всем устройствам. Для организации обмена между центральным и периферийным устройством, последний должен содержать схемы выделения адреса (номера) и коммутации. Всем ПУ присвоены адреса, ко­торые фиксируются в виде собственного адреса на специальном регистре (регистр адреса), находящемся в ПУ. Эта запись производится при подключении ПУ к ВС. Адреса ПУ одной магистрали не повторяются. Если сообщение передается из ЦУ на ПУ, то передаче этого сообщения должна предшествовать передача адреса ПУ. Каждое ПУ производит сравнение передаваемого и собственного адресов. При их совпадении выдается сигнал готовности ПУ к приему. Эту процедуру называют адресацией. Остальные ПУ принимать последующее сообщение не будут. Если сообщение должно быть передано от ПУ к ЦУ, то вначале должна быть исключена возможность использования магистрали другими автономно работающими ПУ. Каждое ПУ магистрали имеет право выставлять на одну коллективную линию сигнал запроса на обслуживание. Эта линия, по существу, выполняет функцию проводного ИЛИ для сигналов запроса от всех ПУ. Централь­ное устройство, получив сигнал запроса, должно определить, какое устройство передало этот запрос (с этой целью должна быть выполнена процедура опроса), и последовательно осу­ществлять адресацию для всех ПУ. Разрешение на передачу со­общения получает то ПУ, которое готово к работе, выставило сигнал запроса и первым опознало свой адрес в процессе опро­са; при этом дальнейшее формирование адресов ПУ приостанав­ливается до завершения передачи сообщения. При магистраль­ной структуре передача адреса и данных не занимает много времени, так как сигналы доступны сразу всем устройствам, но процедура опроса весьма длительна, так как требует последо­вательного перебора всех адресов ПУ.

В цепочных интерфейсах передаче данных от ЦУ к ПУ так­же предшествует передача адреса, однако этот адрес последова­тельно проходит через все ПУ, что существенно замедляет про­цедуру адресации. Однако процедура опроса при цепочной структуре интерфейса не требует последовательного перебора всех адресов. Получив сигнал запроса от ПУ по коллективной для всех ПУ линии, ЦУ выдает сигнал опроса (его часто назы­вают сигналом выборки, разрешения передачи), который после­довательно проходит через все ПУ. Если ПУ готово к передаче сообщения, то дальнейшее распространение сигнала опроса блокируется, а это ПУ получает разрешение на передачу сооб­щения по магистрали. Очевидно, что при этом разрешение на передачу может получить лишь одно ПУ. Приоритеты ПУ опре­деляются порядком прохождения через них сигнала опроса.

Комбинированные интерфейсы обычно имеют магистральную структуру для всех линий, кроме линии опроса, которая прохо­дит через все ПУ последовательно. Этим достигаются высокое быстродействие при адресации и передаче данных, характерное для магистральных интерфейсов, и высокое быстродействие и простота управления при опросе, характерные для цепочных ин­терфейсов. Некоторые комбинированные интерфейсы объединя­ют в себе магистральный принцип для передачи данных и ра­диальный – для управления и коммутации ПУ.

По способу передачи информации различают параллельные и последовательные, синхронные и асинхронные интерфейсы.

Параллельные интерфейсы позволяют передавать всю или часть информации по многопроводной линии.

Последо­вательные интерфейсы служат для последовательной передачи информации по двухпроводной линии. Обычно последователь­ный интерфейс используется для подключе­ния удаленного ПУ.

Параллельные интерфейсы позволяют значительно повысить быстродействие, но вызывают существенные аппаратные за­траты. Кроме того, при передаче сигналов по параллельным линиям возникают «пе­рекосы» информации, т. е. неодновременное поступление сигналов в приемное устрой­ство, обусловленное разбросом параметров Наиболее надежный и простои способ избавиться от влияния перекосов, заключается в стробировании параллельно передаваемых сигналов.

Сигнал строба передается по дополнительной линии на приемное устройство с некоторой задержкой относительно информа­ционных сигналов. Информационные сигналы, поступающие на приемное устройство неодновременно, становятся доступными приемному устройству только при нали­чии сигнала строба вне области перекоса.

В случае синхронного интерфейса передающее устройство выдает сигнал на свои линии и поддерживает сигнал на них в течение заранее установленного постоянного интервала. За это время приемное устройство должно приготовиться к приему следующего информационного элемента.

Если к интерфейсу подключено несколько устройств с различным быстродействием, то интервал синхронизации должен устанавливаться исходя из характеристик самого медленного устройства Моменты выдачи информации передающим устройством и приема ее в приемном устройстве должны быть синхронизированы, для чего можно использовать либо специальную линию синхронизации, либо специальные синхронизирующие кодовые последователь­ности

При асинхронном интерфейсе синхронизация передатчика и приемника осуществляется только на один цикл приема — пере­дачи. Для этого используется либо специальное обрамление каждого передаваемого символа стартовыми и стоповыми сиг­налами, либо реализуется схема «запрос — ответ» посредством специальных линий. В последнем случае передающее устройст­во может выдавать следующий квант информации только после получения от приемного устройства подтверждения о заверше­нии приема им предыдущего кванта. Это подтверждение иногда называют сигналом-квитанцией, а саму передачу – передачей с квитированием. При асинхронном интерфейсе интервал време­ни, в течение которого передающее устройство должно поддер­живать на своих выходных линиях передаваемый сигнал, опре­деляется длительностью распространения сигнала в двух на­правлениях по линиям запроса и ответа и длительностью приема информации в приемном устройстве. Передача сигнала в обрат­ном направлении (от приемника к передатчику) приводит к дополнительным затратам времени. Однако при передаче с кви­тированием интерфейс как бы подстраивается под конкретное приемное устройство и его реальное быстродействие может ока­заться выше, чем у синхронного, рассчитанного на самое мед­ленное и удаленное из подключенных к нему устройств.

Асинхронный интерфейсобеспечивает большую надежность передачи информации за счет сигнала-квитанции, что особенно важно при установлении связи; кроме того, он предоставляет возможность получения информации о состоянии устройства. Это дает возможность сравнительно просто организовать авто­номную работу устройств. Сигнал квитирования может одновременно выполнять функции строба при обратной параллель­ной передаче информации от приемника к передатчику.

В интерфейсах любого типа могут использоваться однона­правленные и двунаправленные линии.

Однонаправленные ли­нии служат для передачи сигналов только в одном направлении, что упрощает приемопередающую аппаратуру.

Двунаправленные линии позволяют передавать сигналы в обоих направлениях и используются преимущественно в магистральных интерфей­сах.

Через интерфейс ввода — вывода приходится передавать ин­формацию различного вида: данные, адреса, команды, информа­цию о состоянии устройств. Для передачи каждого вида инфор­мации может быть выделена либо собственная группа линий – подшина, которую в этом случае называют функционально раз­деленной, либо одна и та же группа линий на основе разделения времени для передачи различных видов информации (такую подшину называют функционально совмещенной).

По конструктивному исполнению интерфейсы можно разделить на четыре категории:

1) межблочные, обеспечивающие взаимодейст­вие компонентов на уровне прибора, автономного устройства, блока, стойки, шкафа;

2) внутриблочные, обеспечивают взаимодействие на уровне плат, субблоков;

3) внутриплатные, обеспечивающие вза­имосвязь между интегральными схемами (СИС, БИС, СБИС) на печатной плате;

4) внутрикорпусные, обеспечивающие взаимодейст­вие компонентов внутри СБИС.

Межблочное сопряжение выполняется с использованием следующих конструктивных средств: коаксиального и оптоволоконного кабеля; плоского многожильного кабеля; многожильного кабеля на основе витой пары проводов.

Внутриблочное сопряжение печатных плат, субблоков выполняется печатным способом или накруткой ви­той парой проводов внутри блока, стойки, шкафа. Ряд интерфейсов может быть реализован комбинацией внутриблочного и межблочного исполнений.

Внутриплатное сопряжение реализуется печатным способом, внутрикорпусное – методами микроэлектронной тех­нологии.

ТРЕТИЙ ВОПРОС

В зависимости от требований унификации выделяют:

- физическую реализацию интерфейса, т.е. состав и харак­теристики линий передачи, конструкцию средств их подключения (например, разъем), вид и характеристики сигналов;

- логическую реализацию интерфейса, т.е. протоколы взаимо­действия, или алгоритмы формирования сигналов обмена.

В широком смысле протокол определяет совокупность правил реализации определен­ной функции, например, обмена, и в этом случае может включать требования, охватыва­ющие интерфейсы нескольких рангов.

Система аппаратных интерфейсов является одной из основных составляющих понятия архитектуры ВС.

На рисунке 3,а и 3,б показаны интерфейсы для машин ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, соответственно.

В структуре ВС с выделенными ПВВ (порты ввода-вывода) отметим интерфейсы четырех рангов.

Через интерфейс И1 производится обмен информацией между ОП (общей памятью) и процессорами (ЦП или ПВВ).

Через интерфейс И2 — управляющей информацей между ЦП и ПВВ. Интерфейсы И1 и И2 являются внутренними, отражающими особенности конкретной мо­дели и не унифицируются.

Интерфейсы ввода-вывода (И3) обес­печивают обмен между ПВВ и контроллерами периферийных устройств (КПУ). Они стандартизуются, что дает возможность использовать одинаковые контроллеры и ПУ в различных моделях ЭВМ одной системы.

Интерфейсы И4 образуют группу так называемых «малых» интерфейсов, посредством которых собственно ПУ сопрягается с контроллером.

Степень унификации малых интерфейсов зависит от типа ПУ и контроллера. Так, если контроллер предназначен для управления только одним ПУ и конструктивно объединен вместе с ним, то их интерфейс не унифицируется. Если же контроллер предназначен для одновременного обслуживания множества ПУ, то соответствующий малый интерфейс должен быть стандартизован. При подключении аппаратуры систем передачи данных соответствующие интерфейсы принято называть стыками.

Рис. 3. Интерфейс для машин ЕС ЭВМ (а) и СМ ЭВМ (б).

Для мини и микроЭВМ характерно (рис. 3,б) наличие интерфейса Ио, посредством которого связаны между собой ЦП, ОП и контроллеры. Этот интерфейс принято называть системным (или объединенным), он унифицирован для всего семейства ЭВМ. Конт­роллеры в мини- и микроЭВМ достаточно просты, так как управление обменом между ПУ и ОП осуществляется в значительной мере программным путем. Это позволяет для семейств ЭВМ с различными интерфейсами И_о использовать одинаковые ПУ (но с разными контроллерами).

Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

- видом связи, т.е. возможностью вести дуплексную (сообщения могут одновременно передаваться в двух направлениях, что требует двух каналов связи), полудуплексную (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно возможна передача только в одном) или симплексную передачу (сообщения могут передаваться только в одном направлении);

- пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени;

- максимально допустимым расстоянием между устройствами или суммарной длиной линий, соединяющих все устройства интер­фейса;

- задержками. при организации передачи, которые вызваны необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами.

Конкретные значения этих параметров зависят от множества факторов, в частности от информационной ширины интерфейса, способа синхронизации, среды интерфейса, топологической структуры соединений и организации линии интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.