Лекции по "Технические средства САПР"

Технические средства САПР   Лекция 9              Доцент, к.т.н., Алексеев Анатолий Васильевич

Раздел 4. Интерфейсы вычислительных систем

 

ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ

Аппаратный интерфейс

Аппаратный интерфейс – совокупность правил унифицированного взаимодействия между компонентами вычислительной системы (ВС) и необходимых для их реализации аппаратных, программных и конструктивных средств. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых по электрическим и оптическим линиям интерфейса. Группу линий, объединённых по функциональному назначению, называют шиной.

Различают шину адреса, шину данных, шину прерываний и шину управления.

По шине управления передаётся управляющая информация, включая диагностику ВС по питанию, по отказам периферийных устройств и т.д..

Основной функцией интерфейса является обеспечение информационной, электрической  и конструктивной совместимости  средств вычислительной техники.

Информационная совместимость достигается единством требований, предъявляемых:

1. К структуре и составу линии интерфейса;

2. К алгоритмам взаимодействия между компонентами ВС;

3. К способам кодирования и форматам данных управляющей и адресной информации;

4. К временным соотношениям электрических сигналов.

Условия информационной совместимости  определяют функциональную и структурную организацию интерфейса, влияют на сложность аппаратного и программного обеспечения.

Электрическая совместимость означает согласованность параметров сигналов, передаваемых по линиям интерфейса. Электрическая совместимость определяет требования к нагрузочной способности приёмо-передающих элементов и характеристикам линии. К характеристикам относятся длина линии, допустимая активная и реактивная нагрузки.

Условия электрической совместимости  влияют на скорость обмена данными, число  подключаемых устройств, помехоустойчивость, конфигурацию устройств и расстояния между ними.

Конструктивная совместимость означает возможность механического соединения цепей, а также возможность механической замены элементов, блоков и узлов. Конструктивная совместимость определяет типы соединительных элементов, конструкцию плат и применяемых каркасов.

Аппаратный интерфейс включает 2 понятия – физическая и логическая организация.

Под физической организацией понимают состав, назначение и характеристики линий интерфейса.

Под логической организацией понимают алгоритмы формирования сигналов, передаваемых по линиям интерфейса, а также протоколы взаимодействия подключаемых к интерфейсу технических устройств.

Количественно интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:

1. Пропускная способность – количество информации, передаваемой в единицу времени;

2. Максимально допустимое расстояние между устройствами ВС или суммарная длина линий интерфейса, соединяющих все устройства;

3. Величина временной задержки при установлении связи между устройствами ВС;

4. Нагрузочная способность – максимально допустимое количество подключаемых в ВС устройств.

Классификация аппаратных интерфейсов

Аппаратные интерфейсы могут классифицироваться по ряду признаков.

1. По способу соединения компонентов ВС различают:

 - радиальный интерфейс . В таких ВС центральное устройство соединено с подчинёнными устройствами индивидуальными линиями. Управление интерфейсом полностью сосредоточено в центре.

 

 

 

Примером радиального интерфейса может служить интерфейс «Сопряжение- 2К». При использовании этого интерфейса конструктивно имеется каркас с ячейками для подключения контроллеров периферийных устройств (ПУ). За каждой ячейкой закреплён определённый физический адрес. Его использование программой позволяет выдавать и принимать логические сигналы на соответствующих линиях разъёма ячейки, такие как сигнал «готовность системы», «выборка», «запрос» и т.д. Эти сигналы являются индивидуальными для каждой ячейки, поэтому при установке операционной системы необходимо указать адреса всех ПУ, включённых в ВС. Замена одного контроллера на контроллер другого устройства, в этом случае, недопустима, либо требуется новая установка операционной системы под другую конфигурацию ПУ.

Достоинством следует отметить работоспособность ВС при отказе ячейки интерфейса.

Недостатком радиального интерфейса является привязанность к адресу используемой ячейки интерфейса.

- магистральный интерфейс. Устройства ВС соединяются единой магистралью, используемой на основе разделения времени.

 

 

 

В управлении интерфейсом участвуют ряд устройств. Примером магистрального интерфейса являются интерфейсы QBUS, UNIBUS, MULTIBUS.

Устройства обмениваются по интерфейсу по запросам прерывания, выставляемые на соответствующие линии интерфейса. Обмен происходит по протоколу обмена.

Достоинством магистрального интерфейса следует отметить независимость при подключении устройств от места включения в интерфейс и простая программная реализация.

Недостатком следует отметить возможный отказ всей ВС при выходе из строя одного из контроллеров устройств.

 - цепочечный интерфейс. Устройства подключаются друг к другу последовательно, образуя цепочку. Применяется в технических системах, допускающих декомпозицию на ряд конструктивно законченных функциональных модулей.

 

- комбинированный интерфейс. Является объединением различных интерфейсов в различных комбинациях.

 

2. По способу передачи информации различают:

- параллельный интерфейс.  В таких интерфейсах информация передаётся одновременно параллельно по линиям интерфейса.

В интерфейсе представлены, как правило, шина адреса (кратна байту), шина данных (кратна байту), шина прерываний  (прерывания бывают нескольких уровней, включая прямой доступ к памяти) и шина управления. Шина управления позволяет контроллерам устройств выполнять дополнительные команды, свойственные конкретному устройству.

- последовательный интерфейс. В последовательном интерфейсе информация передается всего по 2-м линиям. Для этой цели используются протоколы обмена. Применяются для подключении территориально удалённых ПУ.

 

3. По принципу обмена информацией различают:

- интерфейс с синхронным обменом

При синхронном обмене устанавливаются  постоянные интервалы времени между  квантами информации в процессе передачи всего сообщения. Для реализации синхронного обмена в интерфейсе используются специальные шины синхронизации или символы синхронизации.

- интерфейс с асинхронным обменом

При асинхронном обмене интервалы  между квантами информации не постоянны, а синхронизация приёмника и передатчика осуществляется на время передачи одного кванта. Например, используется старт бит и стоп бит.

 

4. По режимам передачи информации различают:

- симплексный режим. При связи 2-х устройств информация может передаваться в любой момент времени только в одном направлении.

- полудуплексный режим. При связи 2-х устройств информация может передаваться в каждом из двух направлений поочередно, т.е. с разделением времени.

- дуплексный  режим. При связи 2-х устройств информация может передаваться в любой момент времени одновременно в двух направлениях.

- мультиплексный  режим. При связи нескольких устройств информация  передаётся в любой момент времени только между 2-мя устройствами поочередно в каждом направлении аналогично полудуплексному режиму.

 

5. По функциональному назначению различают: 

- системный интерфейс. Обеспечивает объединение устройств в единую ВС на уровне обмена информацией с центральным процессором и оперативной памятью.

В зависимости от семейства ВС существуют различные системные интерфейсы. Так, в ВС промышленного назначения часто используют интерфейсы типа QBUS, UNIBUS, MULTIBUS.

- интерфейс мультимикропроцессорных  систем. К интерфейсам данного типа можно отнести MULTIBUS-2. Интерфейсы данного типа реализуют режимы доступа к общей памяти и общему полю ПУ, а также перераспределение функций процессоров «ведомый - ведущий».

- интерфейс ПУ. Учитывает различие физических принципов работы устройств и, следовательно, различие информационных потоков. Интерфейсы  ПУ иногда называют малыми. Согласование малых и системных интерфейсов обеспечивается на аппаратном и программном уровне с помощью контроллеров (адаптеров) ПУ. Пример малого интерфейса является интерфейс CENTRONICS, отечественный аналог - ИРПР (интерфейс радиальный параллельный) для подключения печатающих устройств.