reforef.ru 1




2. ИНТЕРФЕЙСЫ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА

Аппаратные интерфейсы являются одним из основных компонентов вычислительной системы с переменным составом оборудования. Они позволяют осуществлять обмен данными и управляющей информацией между устройствами физической структуры ВС по унифицированным правилам. Унификация правил взаимодействия обеспечивает возможность подключения к ВС разнообразных ПУ, отличающихся назначением, быстродействием, принципами действия.
2.1. Понятие интерфейса и его характеристики

Аппаратным интерфейсом принято называть совокупность правил унифицированного взаимодействия между отдельными устройствами, а также совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации этих правил. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интерфейса; совокупность 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, алгоритмам взаимодействия, способам кодирования и форматам данных, управляющей и адресной информации, временным соотно­шениям между сигналами.

Электрическая совместимость означает согласованность параметров электрических или оптических сигналов, передаваемых средой интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов; электрическая совместимость определяет требования к нагрузочной способности компонентов и характеристикам используемых линий передачи (длина, допустимая активная и реактивная нагрузка, порядок подключения схем согласования 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, штекеров и т.п.), кабелей, конструкций плат и т.д.

Интерфейсы в СВВ возникают между различными уровнями иерархии физической структуры ВС, поэтому требования, предъявляемые к организации обмена, существенно различаются.


Рис.2.1,а. Система интерфейсов ЕС ЭВМ.


Рис.
2.1,б. Система интерфейсов мини- и микроЭВМ.
Единый стандартный интерфейс не смог бы обеспечить эффективную работу разнообразных устройств, используемых на различных уровнях иерархии СВВ. Этим объясняется наличие системы интерфейсов различных рангов, отличающихся характеристиками и степенью унификации.

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 рис.2.1 а и б показаны интерфейсы для машин ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, соответственно. В структуре ВС с выделенными ПВВ отметим интерфейсы четырех рангов. Через интерфейс И1 производится обмен информацией между ОП и процессорами (ЦП или ПВВ); через интерфейс И2 — управляющей информацией 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 ПУ (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.

Для мини- и микроЭВМ характерно (рис.2.1,6) наличие интерфейса И0, 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 И0 использовать одинаковые ПУ (но с разными контроллерами).





Рис.2.1,в. Структура внутренних и внешних интерфейсов ПЭВМ IBM PC/AT.

У персональных ЭВМ также имеется система внутренних и внешних интерфейсов (рис.2.1,в). Системные шины (S-шины) стандартизируются в рамках систем ПЭВМ и аналогичны по назначению интерфейсам И0 мини- и микроЭВМ (ISA, EISA, MCA и др.). L-шина почти полностью определяется внешним интерфейсом используемого в ПЭВМ микропроцессора. Интерфейс М-шины (шины памяти) сориентирован как правило на динамические элементы памяти, скомпонованные в модули (SIMM,DIMM и т.п.) и реализуется на основе контроллера динамической памяти. X-шина (шина периферийных БИС) служит для организации взаимодействия центральной части ПЭВМ с восьмиразрядными программируемыми БИС (большими интегральными схемами) на базе которых реализован ряд подсистем (подсистема аппаратных прерываний, подсистема прямого доступа к памяти, подсистемы часов реального времени и программируемого таймера, контроллер клавиатуры).


С появлением процессора 486 появилась потребность в резком повышении производительности системной шины и родилась локаль­ная шина VLB. Однако она являлась дополнением к слоту шины ISA/EISA и использовалась в основном лишь для графических карт и дисковых контролле­ров. Принципиальная привязка к шине процессора 486 не обеспечила ей долго­го существования. С процессорами 486 появилась и другая скоростная шина — PCI. Она является новым «этажом» в архитектуре PC, к которому подключаются шины типа ISA/EISA. PCI укрепила свои позиции и сейчас является стандартной для компьютеров с процессорами 4, 5 и 6 поколений. Более того, она используется и в компьютерах «не-РС» — Power PC и некоторых других мощных платформах. Развитием шины PCI, нацеленным на дальнейшее повышение производительности обмена, явился порт AGP, специально предназна­ченный для подключения мощных графических адаптеров. Местоположение шин в архитектуре современного компьютера иллюстрирует рис. 2.1,г.



Рис.
2.1,г. Шины расширения в архитектуре PC; чипсет - это набор микросхем сверхбольшой степени интеграции (СБИС), которые выполняют функции основного связующего звена между всеми компонентами системной платы ПЭВМ.
Система малых внешних интерфейсов (интерфейсы И4) в ПЭВМ представлена: последовательными интерфейсами COM-портов, клавиатуры, гибких дисков, видеомонитора, универсальной последовательной шины (USB), музыкальных инструментов (MIDI), локальной сети; параллельными интерфейсами LPT-порта и жестких дисков (IDE, SCSI); дискретно-аналоговым интерфейсом игрового порта и другими.

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
.
2.2.
Организация интерфейсов

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединением устройств и используемыми линиями.

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

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линий, хотя общее число линий может быть и больше. В этом случае по дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от центрального ядра ЭВМ (интерфейсы ранга И4).

В параллельном интерфейсе передача сообщения выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m линиям; величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых m=8, 16 и 32. [Для внутренних интерфейсов ранга И1 и И2 высоко­производительных ЭВМ ширина интерфейса может быть значительно больше ].


Разброс параметров среды интерфейса, т.е. его линий и приемо-передающей аппаратуры, вызывает неодинаковые искажения фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям Л1— Лm. Это означает, что одновременно выданные передатчиком ПРД сигналы на линии Л1—Лm воспринимаются приемником ПРМ не одновременно, а в интервале (tl,t2) (см.рис.2.2,а и б). Такое явление называется перекосом информации. В интервале (tl,t2) приемник может воспринять любую кодовую комбинацию {хi}, i=(l,..m), отличную от комбинации {Ьi}, передаваемой устройством ПРД. Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней, должен поступить в приемник ПРМ в момент tstr, соответствующий завершению установления на входах ПРМ состояния {Ьi}, т.е. в момент, когда выполняется условие tstr > t2. При этом необходимо передать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л1 — Лm.

tstr > 2max(∆?i,j) = 2max │ti, - tj│,

где ti, tj— самый ранний и самый поздний моменты поступления сигналов в приемник ПРМ по линиям i и j, соответственно при одновременной их выдаче передатчиком; ∆?i,j возможный разброс моментов поступления сигналов по линиям Л1— Лm, а ∆?str по линии строба.


Рис.
2.2. Передача данных в параллельном интерфейсе.

В дальнейшем будет в основном использоваться условная форма временной диаграммы, приведенной на рис.2.2,в, на которой параллельная передача сигналов по линиям Л1—Лm обозначена одной широкой полосой, суженная часть которой соответствует интервалу перекоса (tl.,t2), строб показан в виде сигнала идеальной формы в момент завершения интервала перекоса.


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

Для реализации синхронного режима передачи при последовательном интерфейсе передатчик ПРД в начале сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN, Переход линии интерфейса из состояния «0» в состояние «1» используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике; приемник ПРМ распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает очередной символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс иллюстрируется на рис.2.3,а. Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые обладают высокой стабильностью частоты. При высоких скоростях передачи используется синхронизация генератора приемника посредством использования самосинхронизирующего кодирования передаваемых данных (например, манчестерского кода). При нарушении условий синхронизации передатчик должен



Рис. 2.3. Синхронная передача.
вставить в последовательность передаваемых байт сообщения дополнительные символы SYN.

Если при последовательной передаче используются дополнительные линии интерфейса, то синхронная передача передатчика и приемника поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми по линиям управления от передатчика к приемнику.


Аналогично с помощью сигнала синхронизации реализуется синхронная передача в параллельном интерфейсе. В качестве сигнала синхронизации используется стробирующий сигнал. Очередной квант информации передается только после того, как предыдущий квант принят, зафиксирован и распознан в приемнике, т.е. по прошествии интервала Tci. Если передача сообщений через интерфейс производится между передатчиком ПРД и одним из нескольких приемников ПРМ, то интервал синхронизации Т устанавливается в расчете на наиболее медленный приемник ПРМ, т.е.

Т > mах Tci

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» стартовыми и стоповыми сигналами, как показано на рис.2.3,6. Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и служит для запуска генератора в приемнике; стоповый сигнал переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале передачи одного байта.

При параллельном интерфейсе режим асинхронной передачи обычно реализуется по схеме «запрос-ответ», рис.2.4,а. Приемник ПРМ,, получив сигнал по линии строба и зафиксировав байт сообщения по линиям Л1—Лm, формирует ответный сигнал-квитанцию RCP, пересылаемый в передатчик ПРД; такую передачу называют передачей с квитированием. Сигнал RCP является разрешением передатчику перевести линии Л1—Лm и линию стробирования в исходное состояние, после чего приемник ПРМ также сбрасывает сигнал RCP. Сброс сигнала RCP служит для передатчика разрешением на передачу очередного байта. Затраты времени на асинхронную передачу Та составляют при ?ПРД = ?ПРМ = ?

Та = 4 ?Л + 2 ?ПРД + 2 ?ПРМ = 4(?Л + ?) ,


где ?Л — время распространения сигнала по линии,— ?ПРД и ?ПРМ задержки на формирование ответного сигнала в приемнике и передатчике. Отметим, что линии Л1— Лm используются для передачи квантов сообщения только в течение половины интервала Tа.


Рис. 2.4 . Передача по схеме «запрос-ответ».
Для увеличения пропускной способности асинхронного интерфейса можно реализовать «ускоренную» передачу с двумя линиями стробирования (STR1 и STR2) и квитирования (RCP1 и RCP2), рис.2.4,б. Передача информационных сигналов по линиям Л1 - Лm производится почти в два раза чаще; безразличное состояние линий Л1—Лm отсутствует, а выдача квантов информации стробируется разными сигналами STR1 и STR2. Интервал Та между выдачей квантов информации составит Tа = 2 (?Л + ?)) .

Квитирование позволяет как бы подстроить темп обмена под каждое конкретное устройство и обеспечить в ряде случаев высокий темп обмена, несмотря на необходимость передачи сигналов в двух направлениях . Кроме того, квитирование обеспечивает высокую надежность передачи и достоверность передаваемых данных. Однако при передаче с квитированием может возникнуть ситуация, при которой процесс обмена прерывается из-за отказа, повлекшего отсутствие сигнала квитанции. Выявление подобных ситуаций основывается на измерении интервала времени, в течение которого передатчик гарантированно должен получить сигнал—квитанцию. Если за этот установленный интервал ТOT сигнал передатчиком не будет получен, то фиксируется отказ. Такой контроль называют контролем по тайм-ауту, а интервал ТOT — интервалом тайм-аута, величина которого должна отвечать условию:

ТOT > mах {Тai},

где Tai возможные интервалы между выдачей квантов информации устройствами при отсутствии отказов.

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, обычно называемую арбитром.

В общем случае могут быть реализованы следующие виды обмена:


  • передача от одного устройства только одному другому;

  • от одного устройства всем другим (трансляционный обмен);

  • от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).

Аппаратные интерфейсы СВВ обычно реализуют только первый вид обмена — между двумя устройствами, причем оба устройства назначаются произвольно или одно из них (обычно центральное, обозначаемое ниже Уц) фиксируется при разработке ВС. Организация интерфейса должна предоставлять возможность устройству:

— занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения; процесс предоставления среды интерфейса одному устройству называется арбитражем и выполняется схемами арбитра;

— обращаться к другому устройству по его адресу; этот процесс называют адресацией;

— идентифицировать устройство, инициирующее обмен; этот процесс неразрывно связан с процедурой арбитража и его основой является последовательный опрос устройств.

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.

Радиальный интерфейс. Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством индивидуальных линий, монопольно принадлежащих каждому из них, рис.2.5.




Рис.2.5. Радиальный интерфейс.
Управление интерфейсом полностью сосредоточено в устройстве Уц. При необходимости передать или получить квант инфор­мации от Уi по инициативе центрального устройства Уц на регистр РгА заносится адрес устройства Уi и в соответствии с ним переключатель К соединяет линии Лц с линиями Лi. При этом устройства Уц и Уi соединяются между собой, а все остальные устрой­ства отключаются и в обмене участия не принимают. Если инициатива обме­на исходит от периферийного устройства Уi, то оно передает сигнал по своей линии запроса (на рисунке показаны штриховыми), который поступает в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство управления интерфейсом УУ последовательно опрашивает разряды регистра РгЗ и посредством переключателя К соединяет линии Лц с соответствующими линями Лi устройства Уi. Порядок опроса разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Уi.

Отличительными особенностями радиального способа подключения являются:


  • сосредоточенное в центральном устройстве управ­ление интерфейсом, которое предназначено для согласования моментов приема и передачи сообщения;

  • наличие индивидуальных информационных линий, требующих значительных затрат на приемопередающую аппаратуру, и кабелей связи;

  • использование минимального числа линий управления;

  • возможность сравнительно просто приспособить ПУ к требованиям интерфейса, а также производить физическое подключение и отключение устройств без нарушения непрерывной работы других.

Этот способ характерен для интерфейсов нижних рангов, особенно при последовательном способе передачи информации; ему отдают предпочтение при необходимости подклю­чения к ЭВМ достаточно простых ПУ, например, устройств технологической автоматики и контрольно-измерительной аппарату­ры.


Магистральный интерфейс. Центральное устройство Уц соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уn посредством единой магистрали, используемой ими на основе разделения времени (рис.2.6). Сигнал на любой линии магистрали физически доступен каждому устройству, поэтому для организации обмена между устройством Уц и одним из подчиненных устройств необходимо логически отключить все остальные. Всем устройствам Уi, подклю­ченным к магистрали, присвоены адреса (номера), которые фиксируются в виде собственного адреса устройства на специальных регистрах, размещенных во всех Уi. Адреса устройств одной магистрали не повторяются; запись адреса в регистр устройства Уi производится при подключении его к магистрали.

Предположим, что обмен производится по инициативе устройства Уц. Тогда оно производит цикл адресации, заключающийся в передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали.

Адрес поступает во все устройства Уi, где производится сравнение переданного адреса с собственным адресом. Однако совпадение собственного и запрашиваемого адреса произойдет в одном устройстве. При этом устройство Уi устанавливает сигнал готовности к приему информации от Уц или запрашиваемую информацию для Уц на линии магистрали.

Если обмен в интерфейсе производится по инициативе подчинен­ного устройства Уi, то вначале исключается возможность использо­вания магистрали любым другим устройством. С этой целью в магистрали предусматривают специальную линию запросов (на рис.2.6 линия ТРБ), на которую любое устройство Уi независимо от других может выставлять сигнал запроса (или требования ТРБ). Сигнал запроса означает для Уц, что на магистрали имеется одно или несколько устройств Уi, запрашивающих обмен. Обнаружив сигнал запроса (эту функцию выполняет схема анализа ТРБ), устройство Уц должно дать разрешение на занятие магистрали только одному из запрашивающих устройств Уi для выполнения передачи данных. Для этого проводится опрос устройств Уi, т.е.


Рис. 2.6. Магистральный интерфейс.
устройство Уц последовательно осуществляет адресацию всех Уi до тех пор, пока не получит подтверждения запроса. Подтверждение запроса может быть передано любым способом, например, по информационной шине, так как в процессе опроса при последовательном переборе адресов каждое из устройств Уi получает разрешение на занятие магистрали. Так, при совпадении собственного и запрашиваемого адресов устройство Yi может выставить на информационную шину свой адрес, подтвердив совпадение, или какой-нибудь код, означающий несовпадение; кроме того, может быть выделена специальная линия для передачи сигнала подтверждения. Устройство Уц, получив подтвер­ждение от Уi, прекращает дальнейшее формирование адресов, т.е. приостанавливает опрос, а устройство Уi, которое в процессе опроса опознало свой адрес и подтвердило совпадение адресов, логически подключается к магистрали для передачи данных.

При магистральном способе подключения управление интерфей­сом распределено между центральным устройством Уц, которое содержит схему анализа запросов и средства формирования последо­вательностей адресов, и подчиненными У1, ..., Уn устройствами, которые содержат регистр собственного адреса, схему совпадения адресов и схему запроса обмена. Устройство Уц разрешает конфликты одновременного обращения в соответствии с порядком опроса устройств Уi, который легко изменяется программным путем. Объем приемопередающей аппаратуры и кабельных соединений уменьшается, но усложняется схема управления в Уi Сигналы на линиях магистрали доступны одновременно всем устройствам, поэтому передача адресов и данных не требует значительных затрат времени, однако процедура опроса весьма длительна из-за последовательного перебора адресов Уi. Вследствие этого в реальные интерфейсы, построенные по магистральному способу с параллельными коллективными линиями, добавляют элементы радиального или цепочного подключения.

Цепочный интерфейс. При цепочном интерфейсе подчиненные устройства У1,..., Уn подключаются к центральному последовательно, образуя цепочку (рис.2.7).



Рис. 2.7. Цепочный интерфейс.
В такой цепочке всем устройствам У1,..., Уn присваиваются неповторяющиеся адреса. Тогда, если обмен инициируется устройством Уц, адрес запрашиваемого устройства (Уi) передается на линии Л1 и попадает в устройство У1. Запрашиваемый адрес в устройстве У1 сравнивается с собствен­ным адресом У1. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет линии Л1 с линиями Л2. Таким образом адрес запрашиваемого устройства попадает в У2 и процедура повторяется. Если значения адресов совпали, то коммутатор К остается в разомкнутом состоянии, а устройство, опознавшее свой адрес, логически подключается к Уц. При цепочной схеме подключения устройств процедура адресации выполняется последовательно.

Пусть обмен инициируется одним из устройств У1,...,Уn, например, У2. При этом устройство отключает посредством комму­татора К все устройства более низкого приоритета (У3,...,Уn), т.е. размыкает линии Л3. Затем устройство У2 передает свой адрес по линии Л2. Этот адрес либо передается устройством У1 на линии Л1, если У1 не ведет обмена, для чего коммутатор К в У1 подключает линии Л2 к линиям Л1; либо блокируется, если устройство У1 ведет обмен с Уц. Процедура опроса не требует последовательного перебора адресов У1,...,Уn, что значительно ее ускоряет. Однако в описанном виде цепочное подключение устройств не используется. Это объясняется значительными затратами времени на процедуру адресации из-за ее последовательного характера, значительными затратами на коммутирующую аппаратуру и невозможностью физического отключения устройств без нарушения работы других.

Комбинированные интерфейсы. В комбинированных интерфейсах используется магистральный принцип параллельной передачи информации, а для ускорения идентификации устройств используются управляющие линии, соединяющие устройства по радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному (магистрально—цепочный интерфейс) принципу.


На рис.2.8 приведена структура магистрально-радиального интерфейса. Все виды информации передаются по параллельной магистрали М. При необходимости связаться с каким-либо устройством Уi, центральное устройство Уц передает ему сигнал по индивидуальной линии управления (разрешение работы). Этот сигнал служит для подключения устройств к магистрали М с помощью коммутатора К; все остальные устройства от магистрали отключены, но имеют возможность передачи сигналов запроса по своим индивидуальным линиям управления в блок управления магистралью (арбитр), расположенный в Уц. Таким образом, каждое из устройств У1,...,Уn соединено с Уц двумя индивидуальными линиями: линией запроса и линией разрешения. Устройство Уц анализирует запросы, поступившие по системе индивидуальных линий в регистр запросов, и в зависимости от принятой системы приоритетов выдает сигнал на одну из линий разрешения работы, тем самым обеспечивается связь по магистрали М центрального устройства Уц с одним из устройств У1,...,Уn.


Рис. 2.8. Магистрально-радиальный интерфейс. Рис.2.9. Магистрально-цепочный интерфейс.
Магистрально-цепочная структура является наиболее распрос­траненной в аппаратных интерфейсах СВВ. Все виды информации передаются по общей магистрали; адресация выполняется так же, как и в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У1,...,Уn по цепочному принципу. Магистрально—цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированным и произвольно выбираемым устройством либо между двумя произвольными устройствами.

Устройство, запрашивающее обмен, называют ведущим (или задатчиком ЗДТ), а второе устройство, участвующее в обмене,— ведомым (или исполнителем ИСП). Разрешение конфликтов выпол­няет арбитр (АРБ). Схема арбитра может быть сосредоточенной и распределенной. В первом случае цепочная линия интерфейса служит для передачи сигнала разрешения (выборки ВБР) от арбитра всем устройствам, которые могут инициировать обмен. Для согласования работы арбитра и устройств предусматриваются линии запроса (ТРБ) и указания занятости магистрали (ЗАН) — рис.2.9. Если инициируется обмен со стороны устройств У1,...,Уn, то каждое из них может выставлять сигнал запроса на линию ТРБ. Получив этот сигнал, устройство Уц с целью селекции запрашивающего устройства начинает процедуру опроса, т.е. выдает сигнал на линию ВБР. Сигнал ВБР поступает на устройство У1. В случае, если обмен инициирован устройством У1, т.е. сигнал ТРБ сформирован в У1, линии магистрали посредством коммутатора К подключаются к У1, устройство формирует сигнал ЗАН, а сигнал ВБР на следующее устройство У2 не передает. Если сигнал ТРБ был сформирован каким-либо другим устройством, то устройство У1 передает сигнал ВБР по цепочной линии на устройство У2, где производится такой же анализ. Таким образом, последовательный анализ наличия запроса на обмен в каждом из устройств У1,..., Уn позволяет выделить одно из них, обладающее наибольшим приоритетом среди всех устройств, инициирующих обмен. Для своей идентификации устройство Уi в начале сообщения передает собственный адрес.


Для реализации распределенной схемы арбитража вводят сигнал тактирования; при этом сигнал разрешения по-прежнему передается по цепочной линии. Распространение сигнала разрешения может быть прервано любым устройством, однако только в момент положитель­ного (или отрицательного) фронта сигнала тактирования. Любое устройство может начинать передачу сообщения по магистрали при наличии сигнала разрешения, но только в момент отрицательного (положительного) фронта сигнала тактирования. Подробнее эта процедура рассмотрена на примере интерфейса И-41.

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. Двуна­правленный характер передачи по линии делает невозможным использование обычных логических ТТЛ-схем, поэтому для двуна­правленных линий применяют схемы с открытым коллектором или схемы с тремя устойчивыми состояниями.

Между центральным и периферийным устройствами необходимо передавать информацию различных типов: адреса, собственно данные, управляющую информацию. Если для передачи каждого вида информации предусматриваются отдельные шины, то их называют шинами с полным разделением. Совмещение передач различных видов инфор­мации по одной шине приводит к сокращению числа линий, однако требует идентификации вида передаваемой информации с помощью специальных сигналов. Сигналы идентификации одновременно могут выполнять функции строба при параллельной передаче данных. Дополнительное число линий идентификации невелико.


В системных интерфейсах, служащих для подключения- к ЦП не только контроллеров ПУ, но и ОП, часто реализуют частичное совмещение передачи данных и управляющей информации, а для передачи адреса предусматривается отдельная шина. Это позволяет ускорить обмен, так как при обращении к ОП одновременно используются и данные, и адрес.
2.3. Среда интерфейса

Центральные и периферийные устройства могут располагаться на значительных расстояниях друг от друга. При этом оказывается, что предельно допустимая скорость передачи данных V, при которой обеспечивается надлежащий уровень достоверности принимаемых данных, зависит от длины линии L. Эта зависимость показана в виде семейства кривых на рис.2.10.


Рис 2.10. Зависимость скорости передачи от длины линии.

Каждое конкретное положение кривой зависит от среды интерфейса, т.е. физических принципов передачи сигналов (электрический или оптический), типа кабеля (коаксиальный, плоский, скрученная пара (витая пара) и т.п.) или световода (оптоволоконного кабеля), характеристик приемопередатчиков или преобразователей сигналов, наличия шумов и помех. При малых длинах линий (участок 1) максимально допустимая скорость передачи в основном определяется задерж­ками сигналов в приемопередающих и преобразующих устройствах. Для средних длин линий (участок кривых 2) характерно падение скорости пропорционально увеличению длины линии вследствие увеличения емкостной нагрузки на передатчик, роста амплитуды помех от воздействия сигналов, проходящих по соседним линиям, уменьшения амплитуды полезного сигнала из-за увеличения сопротивления линии или увеличения затухания из-за потерь света в оптоволокне. При некоторой критической длине (участок 3), конкретное значение которой зависит от типа линии и способа передачи сигналов, уровень помех становится соизмеримым с уровнем полезного сигнала на входе приемников, что делает невозможным надежное выделение сигнала независимо от скорости передачи данных по линии.


Передача по однонаправленной линии. Передача сигналов по однонаправленной однопроводной электрической линии иллюстрируется схемой на рис.2.11,а.


Рис. 2.11. Передача по однопроводной однонаправленной электрической линии.
Влияние от соседних сигналов и помех отражается эквивалентным генератором Еп. Кроме того, при зна­чительных длинах линии L, а также при использовании приемником ПРМ и передатчиком ПРД различных источников питания между точками «земля» передатчика (а) и «земля» приемника (б) соответственно возможно наличие значительной разности потенциалов Uab. Очевидно, что для правильного выделения сигнала в приемнике ПРМ при наличии помех на линии должны выполняться следующие условия:

Uпрд(1) = Uпрм (1) - (Eп + Uав),

Uпрд(0) = Uпрм (0) + (Eп + Uав).

При этом между уровнями логической единицы Uпрм(1) и логическо­го нуля Uпрм(0) приемника должна быть обеспечена разность по­тенциалов Uдоп зоны перехода, которая достаточна для надежного и правильного распознавания значения сигнала приемником, т.е.

Uпрм(1) - Uпрм (0) > Uдоп

На рис.2.11,6 в качестве примера показано уменьшение зоны перехода ТТЛ-приемника (0,8-2,0)В по сравнению с зоной перехода ТТЛ-передатчика (0,4 — 2,4)В на 0,8В, тем самым ограничен допустимый уровень помех величиной 0,4 В. Дальнейшее уменьшение зоны перехода недопустимо из-за увеличения вероятности не­правильного распознавания «0» и «1».

Можно улучшить условия приема, увеличив зону перехода в передатчике, для этого передатчик и приемник должны осуществлять преобразование уровней сигналов. На рис.2.12 показаны уровни передачи и приема, устанавливаемые рекомендациями МККТТ V.28 (используется в интерфейсе RS-232C). За счет преобразования уровней передача данных по линии может осуществляться в условиях больших помех.



Рис. 2.12. Уровни передачи и приема по рекомендации МККТТ V28.
Передача сигналов по двухпроводной электрической линии позволяет исключить появление разных потециалов «земли» передатчика и приемника, а также значительно ослабить влияние помех. Двухпроводная линия связи выполняется обычно либо в виде витой пары, либо в виде смежных параллельных проводников плоского кабеля. Возможна передача сигналов по двухпроводной линии с использованием одноканального усилителя-передатчика и дифференциального усилителя-приемника (рис.2.13,а) или балансного усилителя в передатчике и дифференциального усилителя в приемнике (рис.2.13,б).



Рис.2.13. Двупроводные однонаправленные электрические линии.
В схеме, приведенной на рис. 2.13, а, на вход усилителя-приемника подаются потенциалы U1 = Uпрд + Eп и U2 = Eп (так как проводники линии расположены близко друг к другу, то действие помех на них можно считать одинаковым). Дифференциальный сигнал на входе приемника Uпрм = U1 — U2= Ппрд , т.е. свободен от влияния помех. Такая схема позволяет повысить скорость передачи данных по сравнению с однопроводной. Однако и здесь при увеличении длины линии сигналы на входе приемника уменьшаются, а их фронты — растягиваются. Кроме того, разность потенциалов между точками а и б (Uab) не должна превышать допустимого для данного типа усилителя значения.

От последнего недостатка свободна схема (рис.2.13,6), использующая балансный усилитель-передатчик, формирующий на выходах (а) и (б) напряжения Ua и Uб:

— при передаче нуля

Ua (0) = -Uпрд ; Uб (0) = +Uпрд ,

—при передаче единицы

Ua (1) = +Uпрд; U, (1) = -Uпрд .


Преимуществом данной схемы является то, что напряжение дифференциального сигнала, поступающее на вход приемника, по существу в два раза выше, чем в предыдущей схеме. Это позволяет допускать большие ослабления сигнала по линии, т.е. обеспечивать передачу на большее расстояние. Кроме того, потенциалы на выходах передатчика (+Uпрд; и -Uпрд) вызывают противоположные токи в проводах линии, что ослабляет результирующее электромагнитное поле этой линии, приводящее к помехам в других близлежащих линиях. Следовательно, такую среду можно использовать при параллельной передаче; отметим также, что влияние различных потенциалов земли передатчика и приемника при этом устраняется.

Весьма распространенным способом последовательной передачи данных остается способ «токовой петли 20 мА», который заимствован из телеграфии. Обычно этот способ подключения применяют для медленных электромеханических устройств, например, клавиатуры, ПчУ и т.п.

Два устройства (ПРД и ПРМ) соединяются двухпроводной линией, образующей замкнутую электрическую цепь. В передатчике размещается ключ (К), который может размыкать цепь, а в приемнике — детектор тока (ДТ), определяющий наличие или отсутствие тока в цепи. Кроме того, в эту цепь включается источник питания Е и токоограничивающий резистор Ro. Источник питания Е и резистор Ro могут располагаться как в передатчике (в этом случае передатчик называют активным, а приемник — пассивным), так и в приемнике (приемник активный, а передатчик пассивный). На рис.2.14 приведена схема «токовой петли» с активным приемником. Резистор Ro служит для получения стандартной величины тока 20 мА. В качестве ДТ может использоваться электромагнитное реле или какое-либо электронное устройство (например оптрон); вместо резистора Ro может использоваться электронный ограничитель тока; ключ К также может быть электронным. Из-за опасности повреждения электронных схем обычно величину Е устанавливают менее 40 В. Токовая петля обеспечивает только симплексную передачу и используется при последовательной передаче данных на значительное расстояние (до 2 км) при малых скоростях.




Рис. 2.14. Токовая петля 20 мА. Рис. 2.15. Двунаправленная линия.
Передача по двунаправленной линии. Выходы обычных ТТЛ-схем не должны объединяться, поэтому такие схемы не используются для подключения к одной магистрали нескольких устройств, каждое из которых может служить передатчиком.

На рис.2.15 приведена схема подключения устройств к двунаправленной линии посредством элементов с открытым коллектором. Коллекторы выходных каскадов подключаются к линии, которая заканчивается резистором оконечной нагрузки R (заглушкой). Такое подключение можно рассматривать как схему «проводного (монтажного) И» для положительной логики или «проводного ИЛИ» для отрицательной логики. Недостатки такого подключения заключаются в сравнительно малой скорости переключения и подверженности помехам.

Для подключения устройств к магистрали более широкое распространение получили схемы с тремя состояниями (рис. 2.16).


Рис.2.16. Схема с тремя состояниями.

Обычно к ТТЛ-схеме добавляется вход, позволяющий закрыть оба выходных транзистора Т1 и Т2, тем самым перевести схему в состояние высокого выходного сопротивления, в котором она не оказывает влияния на сигналы, передаваемые по линии. При высоком потенциале на входе «вкл/откл» за счет диодов Д1 и Д2 значение выходного сигнала определяется сигналом на логическом входе (1/0). Появление низкого потенциала на входе «вкл/откл» приводит к тому, что оба транзистора Т1 и Т2 запираются, т.е. схема переводится в третье состояние. Схемы с тремя состояниями пригодны для управления теми линиями, на которые в каждый момент времени выдается сигнал только от одного устройства. Они могут быть использованы для линий передачи адресов, данных и большинства линий управления. Однако подключение линий, на которые сигналы могут поступать одновременно от нескольких устройств, например от линий запросов, должно осуществляться посредством схем с открытым коллектором.


Передача по оптоволоконным линиям. Оптоволоконные линии являются однонаправленными, обладают меньшей массой, меньшей подверженностью помехам и обеспечивают электрическую «развязку» передатчика и приемника. Подлежащие передаче электрические сигналы подаются на усилитель ПРД, нагрузкой которого является светодиод или полупроводниковый лазер, формирующий импульсы света, если на вход усилителя поступает логическая «1». Световой поток светодиода через оптическую систему подается в оптоволоконную линию и по ней — на фотоприемник ретранслятора, где импульс света преобразуется в электрический импульс, усиливается и вновь подается на светодиод и затем в оптоволоконную линию. Таким путем импульс света достигает приемника ПРМ, где он также преобразуется в электрический сигнал и используется электронными схемами.

Преобразование электрического сигнала в световой, а затем снова в электрический позволяет устранить влияние помех, возникающих в цепях питания; кроме того, между точками «земля» передатчика и «земля» приемника может возникать значительная разность потенциалов. Поэтому такие преобразования часто используют даже без оптоволоконной линии связи для подключения к ЭВМ периферийного оборудования, работающего в тяжелых условиях, например, датчиков и исполнительных устройств технологического оборудования, станков с числовым программным управлением. Элемент, осуществляющий такое преобразование и включающий в себя светодиод и фототранзистор, называется оптроном.
2.4. Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ

Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ являлся фактически стандарт­ным для всех типов ЭВМ общего назначения; он совместим с интерфейсом ввода-вывода системы IBM/370. Этот интерфейс построен по магистрально-цепочному принципу, является асинхрон­ным, дуплексным. Первая версия обеспечивает параллельную пере­дачу одного байта, модифицированная — двух байт.

Состав и назначение линий интерфейса ввода-вывода ЕС ЭВМ (ОСТ 4Г0.304.000-84). Все линии разбиты на 5 групп в соответствии с реализуемыми функциями: информационные, идентификации, управления, маркеров и специальные. В интерфейсе использованы однонаправленные линии, т.е. передача сигналов по ним осуществ­ляется либо от ПВВ (канала) к ПУ (абоненту), при этом линию и передаваемый по ней сигнал обозначают индексом «К»; либо от ПУ к ПВВ, тогда линию и сигнал обозначают индексом «А». Под абонентом понимают устройство, подключаемое к ПВВ через интерфейс.


Информационные линии объединены в четыре подшины, обозначаемые ШИН: основную для прямой и обратной передачи; дополнительную для прямой и обратной передачи. Каждая подшина содержит 9 линий. По основным шинам прямой (ШИН-КХО) и обратной (ШИН-АХО) передач (X принимает значения 0,1,2,...,7,К) передаются адреса, приказы, данные и информация о состоянии в виде 8-разрядных байтов с контролем по нечетности (девятая линия, для которой Х=К). Дополнительные шины прямой (ШИН-КХI) и обратной (ШИН-АХI) передач используются только при двухбайтовых передачах данных. Байты данных на них также контролируются по нечетности.

Линии маркеров. Для указания ШИН, используемых при передаче данных, служат линии маркеров МРК—К0, МРК—К1 и МРК-А0, МРК-А1. Сигналы на линиях МРК-К0 и МРК-А0 указывают на использование только основных шин, сигналы на линиях МРК—К1 и МРК—А1 — на использование дополнительных шин.

Линии идентификации. Характер передаваемой по основным шинам информации идентифицируется сигналами на линиях идентификации: при передаче по шине ШИН-КХО адреса ПУ сигнал должен присутствовать на линии АДР-К, при передаче приказа — на линии УПР-К, а при передаче байта данных — на линии ИНФ-К или ДАН-К. При передаче по шине ШИН-АХО обратного адреса ПУ должен быть выставлен сигнал на линию АДР-А; для идентификации байта состояния сигнал должен присутствовать на линии УПР—А, а для идентификации байта данных — на линии ИНФ-А или ДАН-А Все сигналы идентификации одновременно выполняют функции стробирования и квитирования, поэтому они выдаются на соответствующую линию с задержкой относительно выдачи байта на информационную шину.

Линии управления. Сигналы РАБ-К, РАБ-А, БЛК-К и ОТК-А осуществляют управление взаимосвязью устройств интер­фейса. Сигнал РАБ-К определяет работоспособность ПВВ: все остальные сигналы имеют смысл только при наличии сигнала РАБ-К. Сигнал РАБ—А является ответным сигналом абонента и сигнализирует о его логическом подключении к интерфейсу. Сброс сигнала РАБ-К приводит к сбросу всех ПУ, подключенных к интерфейсу. Для селективного сброса ПУ используются сигналы БЛК-К и ОТК-А.


Сигналы ВБР-К, ТРБ-К, ВБР-А и ТРБ-А используются для установления логической связи между ПВВ и одним из ПУ. Сигнал выборки передается по цепочной линии ВБР-К — ВБР-А, образующей «петлю» опроса; он является единственным сигналом, который доступен абонентам неодновременно. Подключение ПУ к магистрали, т.е. выдача им сигнала РАБ—А, производится только при наличии на его входе сигнала ВБР-К; если данное ПУ не запрашивает права на занятие магистрали, т.е. не формирует сигнал запроса ТРБ-А, то сигнал ВБР-К проходит на следующее устройство, а данное ПУ теряет право выдавать сигнал РАБ—А до следующего цикла опроса.

Специальные линии служат для управления режимами работы, смены состояния и т.п. Они включают линии блокировки БЛК-К, отключения абонента ОТК-А, смены состояния СМС-К и измерения ИЗМ-К и ИЗМ-А.

Организация операций. На средства интерфейса ввода-вывода возлагаются три основных вида операций, управление которыми производится по жестким алгоритмам:

— установление логической связи ПВВ и ПУ;

— передача данных между ПВВ и ПУ;

— отключение ПУ от интерфейса.

В интерфейсе ввода-вывода ЕС ЭВМ применяются коаксиальные кабели, уровни сигналов ТТЛ; длина линий составляет до 50 м.
2.5. Системные интерфейсы мини- и микроЭВМ

Для структуры большинства семейств мини- и микроЭВМ характерно наличие системного объединенного интерфейса И0 (см.рис. 2.1,6), к которому подключаются процессоры, модули ОЗУ и ПЗУ и контроллеры ПУ. Наиболее распространенными интерфейсами этого типа являются ОБЩАЯ ШИНА (ОШ) СМ ЭВМ, магистральный параллельный интерфейс (МПИ), Магистраль ЕС ПЭВМ, И-41 и др.

Интерфейс ОШ СМ ЭВМ. Во всех моделях ЭВМ СМ-3, СМ-4 используется унифицированный объединенный интерфейс ОБЩАЯ ШИНА (ОСТ 25-795-78). Он является магистрально-цепочным асинхронным полудуплексным интерфейсом, обеспечивающим воз­можность параллельной передачи 2 байт информации. Передача данных производится между ЦП и ОП, ЦП и ПУ, контроллером прямого доступа к памяти (КПДП) и ОП. В каждый момент времени обмен по магистрали осуществляется только между двумя устройст­вами, одно из которых является ведущим (или задатчиком ЗДТ), а другое — ведомым (исполнителем ИСП).


Состав линий и основные операции. Передача адреса и данных производится по разделенным системам линий, называемым шиной (подшиной) адреса А и шиной (подшиной) данных Д (рис. 2.17). Подшина данных позволяет передавать данные, команды и адреса векторов прерывания. Остальные линии служат для выполнения различных функций по управлению передачами (ШУ1) и занятию ОШ (ШУ2).

Подшина адреса А [17-00] включает в себя 18 двунаправленных линий, что позволяет задавать 256К различных адресов. Совокупность всех допустимых адресов называют адресным пространством. Так как адресуемой единицей памяти является байт, то адресное пространство обеспечивает возможность адресации не свыше 256 Кбайт.

Подшина данных включает в себя 16 двунаправленных линий Д [15-00] и позволяет передавать как по одному, так и по два байта одновременно. Число одновременно передаваемых байт по ОШ определяется сигналами на линиях управления У0, У1.


Рис. 2.17. Состав линий и шин системного интерфейса СМ ЭВМ.
Направление передачи данных принято определять по отношению к ЗДТ: чтение представляет собой передачу из ИСП в ЗДТ, а запись—из ЗДТ в ИСП. Две линии управления У [0,1], входящие в состав ШУ1, позволяют кодировать четыре типа передач по ОШ. Код 00 соответствует операции чтения слова, т.е. передаче 2 байт от ИСП к ЗДТ. Код У[0,1]=10 также определяет чтение слова (чтение с паузой), но запрещает цикл регенерации в ОЗУ; код У [0,1]=10 определяет операцию записи слова, а код У [0,1]= 11 -записи байта. Линии К [0,1 ] служат для оповещения ЗДТ о наличии ошибки в работе ИСП при выполнении операции чтения.

Сигнал на линии синхронизации задатчика СХЗ устанавливается ЗДТ и является стробом для сигналов на линиях адреса, данных и У0, У1. Сброс СХЗ указывает на завершение операции по передаче данных в ЗДТ. Сигнал синхронизации исполнителя на линии СХИ формируется ИСП и является стробом-квитанцией. При операциях чтения установка СХИ означает, что данные помещены ИСП на шину данных, а при операциях записи — что данные приняты ИСП. Сброс СХИ подтверждает, что ИСП получил сброс СХЗ.


Сигнал подготовки ПОДГ выдается ЦП и переводит все устройства, подключенные к ОШ, в исходное состояние. Этот сигнал выдается при нажатии кнопки ПУСК на пульте ЦП, при обнаружении отказа сети питания, а также при возврате питания в допустимые пределы. Сигналы аварии сети и источника питания на линиях (АСП и АИП) вырабатываются датчиками при нарушении уровней напряжений переменного и постоянного тока. Они позволяют сохранить некоторую информацию в энергонезависимом ОЗУ при аварии в системе питания.

Логическая связь между ЗДТ и ИСП и исключение возможности одновременной работы сразу нескольких устройств обеспечиваются специально выделенной схемой арбитра АРБ и линиями арбитража ШУ2.


Рис. 2.18. Структура шины ШУ2.
Все устройства, имеющие связь со схемой АРБ посредством ШУ2 (рис. 2.18), могут запрашивать право на занятие ОШ, т.е. право стать задатчиком ЗДТ. Задатчиком может быть любое устройство, кроме модулей ОП; исполнителем — любое устройство. Процедуры передачи данных могут быть совмещены с процедурой арбитража.

Линии арбитража служат для последовательного предоставления ОШ (в порядке приоритетов) в распоряжение устройств, приславших сигналы запроса на право стать ЗДТ. Эти линии включают в себя 4 линии запроса передачи ЗП[4-7], 4 цепочных линии разрешения передачи РП[4-7], линию запроса прямого доступа ЗПД, цепочную линию разрешения прямого доступа РПД, линии ЗАН (занято) и подтверждения выборки ПВБ.

Организация операций. На средства интерфейса ОШ возлагается предоставление устройствам поочередного права на занятие магистрали (арбитраж); установление логической связи между ПУ и программой управления (передача вектора прерывания); передача данных (запись и чтение).

Среда интерфейса. Для всех линий (кроме АИП и АСП) можно использовать стандартные усилители-приемники (ПРМ) и усилители-передатчики (ПРД), в которых выход реализован по схеме с открытым коллектором. Уровни сигналов соответствуют ТТЛ-уровням. Согласующие резисторы размещаются на специальных платах, называемых заглушками. Сигналы передаются по плоскому кабелю, общая длина каждой линии не должна превышать 15 м, а число ПРМ и ПРД на одной линии не должно превышать 20.


Интерфейс МПИ. Этот интерфейс (ГОСТ 26765.51-86) пред­ставляет собой модификацию интерфейса ОШ и использовался во многих микроЭВМ, например, серии «Электроника-60»; он совместим с интерфейсом микроЭВМ LSI-11 фирмы DEC. МПИ является магистрально-цепочным асинхронным параллельным полудуплексным интерфейсом с совмещенной шиной для передачи адреса и данных. В МПИ используются как одно-, так и двунаправленные линии. Передача адреса и данных по линиям АД [15-00] магистрали осуществляется последовательно. В МПИ предусмотрено пять уровней приоритетов ПУ, однако обязательными являются только два: выс­ший— для прямого доступа в память; низший— для программ­ного обмена. Аналогично ОШ приоритет устройства определяется его расположением на линии разрешения (прямого доступа или передачи) относительно арбитра

МПИ допускал использование ОЗУ динамического типа для управления процессами записи, чтения и регенерации, в которых предусмотрена специальная линия РГН. Кроме того, специальный сигнал ПВС позволяет осуществлять прерывание от таймера или какого-либо другого внешнего источника.

Интерфейс И-41. В мультимикропроцессорных системах с переменным составом оборудования, называемых магистоально-модульными, наращивание вычислительных мощностей и специализация системы на определенные классы задач достигается не только за счет изменения состава ПУ, но и за счет добавления универсальных или специализированных процессоров обработки. Объединенный интер­фейс таких ВС должен допускать возможность подключения не­скольких автономных процессоров и контроллеров прямого доступа в память. Наибольшее распространение для таких ВС получил интерфейс И-41 (ОСТ 25969-83), который разработан на базе исходного интерфейса MULTIBUS фирмы INTEL. Он использовался в микроЭВМ и СМ 1810 и ПЭВМ типа Искра 1031.


Рис. 2.19. Временные диаграммы сигналов обмена.

Характеристика интерфейса. Интерфейс И-41 является асинхронным тактируемым полудуплексным интерфейсом магистрально­го типа, обеспечивающим одновременную передачу 2 байт ин­формации. Обмен данными осущест­вляется асинхронно по принципу «задатчик—исполнитель». Интерфейс И-41 допускает различные варианты выполнения арбитража и процедур прерывания. В нем используются как одно-, так и двунаправленные линии, причем для каждой из линий оговаривается тип передатчика — с тремя состояниями, с открытым коллектором или с ТТЛ-элементами. При реализации различных схем арбитража возможно цепочное или радиальное соединение устройств посредством линий управления арбитража. Линии передачи адреса, данных и управления являются магистральными.

Организация операций. Операции передачи данных между ЗДТ и ИСП не имеют особенностей. При операциях чте­ния или ввода (рис. 2.19, а) ЗДТ выдает адрес на шину адреса А [0-13] и стробирует его сигналом IORC (ввод) или MRDC (чтение); ИСП выдает информацию на шину данных Д[0-F] и стробирует их сигналом-квитанцией ХАСК.

При операциях записи или выво­да (рис. 2.19, б) ЗДТ выдает адрес и данные на шины А [0-13] и Д[0-F] и стробирует их сигналами MWTC или IOWC соответственно. ИСП подтверждает прием данных сигналом ХАСК.

Рассмотрим подробнее возможные схемы реализации арбитража.

Простейшая схема последовательного распределенного арбитража показана на рис. 2.20.


Рис. 2.20. Последовательный распределенный арбитраж.

Входной сигнал BPRN устройства, которому присвоен наивысший приоритет, подключается к точке с потенциалом земли, его выходной сигнал BPRO подается на вход устройства с более низким приоритетом и т.д. Сигнал BPRN подается в цепочку устройств постоянно и достигает устройства, которое должно стать задатчиком. Каждое устройство имеет право выставлять запрос, т.е. размыкать ключ для сигнала BPRO, по положительному фронту тактирующего сигнала BCLK. Все устройства с более низким приоритетом обнаруживают отсутствие сигнала BPRO.


Устройство по отрицательному фронту тактирующего сигнала BCLK формирует сигнал на линии BUSY, т.е. «захватывает» магистраль при одновременном выполнении условий: отсутствии выходного сигнала BPRO (данное устройство запрашивает шину), наличии сигнала BPRN на его входе (т.е. ни одно из более приоритетных устройств не запросило шины), отсутствии сигнала на линии BUSY (т.е. шина свободна). Очевидно, что для правильной работы такой схемы арбитража за один интервал тактирующих сигналов BCLK сигнал запроса (снятие BPRO) от устройства с высшим приоритетом распространяется до устройства с низшим приоритетом. Центральный арбитр отсутствует, а взаимодействие схем в отдельных устройствах координируется сигналом BCLK.

Схема параллельного арбитража, реализуемого приоритетным шифратором, показана на рис. 2.21, а. ЗДТ может «захватить» магистраль при наличии сигнала разрешения BPRN на его входе и отсутствии сигнала BUSY от других устройств. Все устройства посылают запросы на использование магистрали в центральный АРБ по индивидуальным линиям BREQ. АРБ состоит их двух частей— приоритетного шифратора Ш, определяющего номер наиболее приоритетного устройства, приславшего запрос, и дешифратора ДШ, выходы которого индивидуальными линиями соединены со входами устройств. Разрешающий сигнал BPRN может присутствовать лишь на одном выходе дешифратора. В интерфейсе И-41 такая схема арбитража обычно используется для контроллеров прямого доступа в память. Число устройств ограничено числом входов и выходов АРБ (обычно 8). Процесс захвата шины, т.е. смены ЗДТ, показан на рис.2.21,6. Все действия тактируются сигналом BCLK. По отрица­тельному фронту сигнала BCLK арбитр, получив сигнал BREQ (В) от устройства В, снимает сигнал BPRN (А) и выдает разрешение потенциальному задатчику В, т.е. сигнал BPRN (В). После завершения цикла обращения текущий задатчик А по отрицательному фронту сигнала BCLK снимает сигнал BUSY, при этом он переводит в состояние высокого выходного сопротивления формирователи адрес­ных, информационных и управляющих сигналов, т.е. отключается от магистрали. После снятия сигнала BUSY устройством А на линию BUSY выдается сигнал от устройства В. Задатчик А может удерживать сигнал BUSY до завершения монопольного режима обмена.


Схема организации циклического арбитража аналогична парал­лельному, однако после завершения цикла работы, т.е. снятия сигнала BUSY текущим задатчиком, ему присваивается самый низкий приоритет, а приоритеты остальных устройств увеличиваются.

Программный обмен. Для организации программного обмена в И-41 предусмотрены линии управления прерываниями: запроса прерываний INT [0-7] и подтверждения прерывания INTA. Интер­фейс И-41 допускает две процедуры прерывания: внеинтерфейсную с формированием адреса вектора прерывания в блоке приоритетного прерывания БПП и с векторным прерыванием, при котором источник запроса прерывания сам выставляет адрес вектора прерывания на шину данных.


Рис. 2.21. Параллельный арбитраж.
При внеинтерфейсной процедуре прерывания каждое ПУ по индивидуальной линии INT передает сигнал запроса прерывания в БПП. В БПП формируется код, соответствующий уровню приоритета прерывания, который сравнивается с уровнем приоритета текущей программы. При более высоком приоритете запроса БПП формирует сигнал прерывания и передает в процессор команду передачи управления программе обслуживания ПУ, приславшего запрос.

При векторном прерывании на запрос прерывания от ПУ процессор отвечает двумя сигналами подтверждения по линиям INTA: первый из них фиксирует состояние блоков прерывания в ПУ и служит для захвата магистрали процессором; второй стробирует код номера устройства на линиях А [8-10], определенный в БПП по номеру линии INT, и разрешает этому ПУ выставить адрес своего вектора прерывания на шину данных; стробом при этом служит сигнал ХАСК.

Среда интерфейса. Интерфейс физически реализован в виде объединительной печатной платы, на которой расположены разъемы для установки модулей (ЦП, контроллеров, ОЗУ, ПЗУ), выполненных на стандартных печатных платах Е2. Допускаются соединения отрезков магистрали посредством плоского кабеля. Общая длина линии не должна превышать 3 м.

2.6 Шины расширения ввода/вывода РС-совместимых ПЭВМ.

Стандартизованные шины расширения ввода/вывода обеспечивают основу функ­циональной расширяемости PC-совместимого персонального компьютера. Хотя многие компоненты, ранее размещаемые на платах расширения, постепенно «переселяются» на системную плату, для настольных компьютеров набор шин расширения ввода/вывода имеет важное значение.

К шинам расширения ввода/вывода, реализованным в виде слотов (разъемов) на системных платах PC-совместимых персональных компьютеров, относятся следующие:


  • ISA-8 и ISA-16 — традиционные универсальные слоты подключения пе­риферийных адаптеров, не требующих высоких скоростей обмена (раньше была единственной шиной расширения).

  • EISA — дорогая (по стоимости и системной платы, и плат расширения) 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытесняется шиной PCI, хотя и применяется в серверных платформах, где необходимо установить множество дополни­тельных плат расширения (системную плату, у которой слотов PCI больше, чем 4, найти довольно трудно, а для шины EISA 6-8 слотов — явление обычное).

  • МСА — шина компьютеров PS/2, до сих пор применяемая и в некоторых серверных платформах. Производительность средняя. Адаптеры для шины МСА распространены не широко.

  • VLB — быстродействующее 32- (64-) битное расширение (локальная ши­на процессора), используемое в паре со слотом ISA/EISA, применявшееся в среднем поколении системных плат компьютеров на процессоре 486. Используется для подключения контроллеров дисков, графических адап­теров и контроллеров локальных сетей. С процессорами пятого поколения и старше не применяется.
  • PCI — самая распространенная высокопроизводительная 32/64-битная ши­на, применяемая в компьютерах на процессорах 486 и старше. Используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров SCSI, графических, видео-, коммуникационных и других адаптеров. На системной плате чаще всего устанавливают 3 или 4 слота PCI. Слот PCI иногда имеет дополни­тельный маленький слот расширения Media BUS, на который выведены сигналы шины ISA (это позволяет на платы PCI устанавливать и дешевые ISA-устройства, например звуковой канал).


  • PC Card, он же PCMCIA — слот расширения блокнотных компьютеров, который, в принципе, может присутствовать и в компьютерах настольного исполнения. Предназначен для обес­печения еще одного уровня совместимости блокнотных и настольных PC.

Карты расширения (интерфейсные карты) устанавливаются в соответствую­щие слоты системной платы. Их количество и состав на различных платах варьируется. Типы слотов легко определить визуально пользуясь рис. 2.22. На этом рисунке присутствие всех типов шин показано условно — реально на системных платах присутствует не более двух-трех типов слотов. Распространены сочетания: ISA+PCI, ISA+VLB, EISA+PCI, EISA+VLB. Шина МСА обычно держится особняком. Слот «Media BUS», дополняющий слот PCI сигналами шины ISA, применяется, пожалуй, только фирмой ASUSTek.


Рис. 2.22. Вид и положение слотов шин расширения.
У адаптеров для шины PCI, в отличие от ISA/EISA и VLB, компоненты расположены на левой стороне печатной платы. Для экономии площади печат­ной платы часто используют так называемый разделяемый слот (Shared Slot). На самом деле это разделяемое окно на задней стенке корпуса, которое может использоваться либо картой ISA, либо картой PCI. Таким образом, максималь­ное суммарное количество установленных адаптеров ISA и PCI оказывается на единицу меньшим, чем видимое количество слотов на системной плате.

Для низкопрофильных корпусов системные платы имеют всего один слот рас­ширения, в который устанавливается специальная плата-переходник Riser Card. Этот переходник по присоединению обычно специфичен для каждой модели системной платы (а иногда и корпуса), поскольку на его краевой разъем заво­дятся линии нескольких системных шин (например, ISA+PCI, ISA+VLB). Если Riser Card имеет слоты только шины ISA, он обычно вставляется в стандартный слот ISA-16, что позволяет установить во многие модели корпусов Slim боль­шинство стандартных плат формата Baby-AT. С точки зрения наводок и пара­зитных емкостей лучше все-таки использовать специальные платы с одним разъемом, чтобы не перегружать шину лишними неиспользуемыми проводни­ками и разъемами.


Конфигурирование шин расширения предполагает, в основном, настройку их временных параметров.


  • Для шины VLB применяется перемычка, управляющая делителем частоты сигнала синхронизации в зависимости от того, превышает ли системная частота значение 33,3 МГц.

  • Для шины PCI частота синхронизации определяется частотой системной шины процессора. Кроме того, в BIOS Setup для этой шины могут опре­деляться некоторые ее возможные режимы.

  • Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу выводу. Неустойчивая работа адаптеров может потребовать замедления шины ISA, но в настоящее время понижение ее производительности не сильно отражается на производительности компьютера в целом.

  • Для шин ISA и PCI иногда опциями BIOS Setup приходится распреде­лять системные ресурсы (главным образом, линии запросов прерываний).

Основные характеристики рассматриваемых шин приведены в табл. 2.1.