Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ. Устройства ввода-вывода. Интерфейсы периферийных устройств.

Интерфейс (Interface) является границей раздела двух систем, уст-

ройств или программ. Он содержит элементы соединения и вспомогатель-

ные схемы управления, используемые для соединения устройств. Интер-

фейсы позволяют подключать к компьютерам различные периферийные

устройства (ПУ) и их контроллеры, а также соединять отдельные подсис-

темы вычислительной системы.

Интерфейсы различаются друг от друга организацией. Существуют

два основных класса интерфейсов: параллельные и последовательные. В

параллельных интерфейсах информационные слова передаются по соот-

ветствующим параллельным проводникам одновременно. В последова-

тельном интерфейсе информационные биты передаются друг за другом

обычно по двухпроводниковой линии. Параллельные интерфейсы позво-

ляют передавать информацию с большой скоростью, а последовательные

на большое расстояние.

Существует многообразие используемых типов интерфейсов, кото-

рые отличаются способом передачи информации и характеристиками.

Каждый из них имеет определенные достоинства и недостатки, и приме-

няется для преимущественного подключения определенных видов пери-

ферии.

Важным параметром интерфейсов является пропускная способность.

Технический прогресс вызывает неуклонный рост передаваемой инфор-

мации в периферийных устройствах. Это приводит к необходимости соз-

дания новых версий существующих интерфейсов, разработке и выпуску

новых типов интерфейсов с улучшенными характеристиками.

В ряде интерфейсов заложены возможности PnP (Plug and Play –

включай и играй), которые предназначены для снятия с пользователей

забот по конфигурированию подключаемых устройств.

При разработке специализированных устройств встает вопрос выбо-

ра подходящего интерфейса подключения. Этот вопрос следует решать,

исходя из принципа разумной достаточности, по возможности отдавая

предпочтение внешним интерфейсам.

Интерфейс – есть совокупность шин (линий), аппаратных и про-

граммных средств, а также конструкции, которая обеспечивает обмен

информацией одного устройства с другим по определенному правилу

(протоколу обмена).

Основным параметром интерфейса является скорость передачи ин-

формации. Существует многообразие интерфейсов с различными характе-

ристиками.

Интерфейс является посредником между двумя устройствами вы-

числительной системы, осуществляющими взаимодействие. Интерфейсы

различаются по уровню, причем считается, что, чем ближе к ядру ЭВМ,

тем выше уровень интерфейса.

Шина обеспечивает взаимосвязь процессора и оперативной па-

мяти. С ее помощью организуется внутренний интерфейс. Он обладает

повышенным быстродействием, равным быстродействию процессора.

Шина (PCI) , например, имеет высокое быстродействие, но на 1 – 2 порядка

ниже быстродействия процессора. К шине PCI могут подключаться быст-

родействующие ПУ. Таким устройством может быть видеосистема, кото-

рая связана с монитором.

Кроме шины PCI имеются две системные шины (IDE) и

(USB). Шина IDE имеет высокую скорость передачи информации, но

ниже чем у PCI. Она адаптирована для накопителей на дисках. Последова-

тельная шина USB применяется для подключения разнообразных ПУ.

Протокол обмена в простейшем случае может быть задан с помощью

временных диаграмм взаимодействия одного устройства с другим, его

нельзя нарушать.

Устройства, которые подключаются к шинам, могут иметь стандарт-

ную или специализированную аппаратуру. Стандартные интерфейсы

применяются тогда, когда к шине подключаются типовые ПУ. Специали-

зированные применяются при подключении к системе нехарактерных

устройств.

Связь ПУ с ядром ЭВМ возможна с использованием следующих ос-

новных архитектур.

1. Радиальная

2. Магистральная

3. Цепочечная

4. Комбинированная.

Радиальная архитектура характеризуется независимым подключени-

ем ПУ. Достоинством является простота определения источника прерыва-

ния. Недостатки:

– связь между двумя ПУ производится только через ядро ЭВМ,

следовательно, снижается скорость обмена;

– большая суммарная длина шин.

При магистральной (канальной) архитектуре любые ПУ могут взаи-

модействовать с другими ПУ напрямую через магистраль, поэтому дости-

гается высокая скорость передачи информации. Недостаток: сложность

определения источника прерывания, следствием является более сложный

интерфейс.

В цепочечной архитектуре достигается минимальная суммарная

длина шин, интерфейс оказывается сложным.

Три показанных архитектуры могут образовать комбинированную.

Например, широко применяется магистрально-цепочечная архитектура.

Применяют два способа передачи информации:

1) параллельная передача;

2) последовательная передача.

При параллельной передаче используется множество линий, в об-

щем случае образующих шину данных, шину адреса и шину управления.

Причем передача информации производится параллельно по всем трем

видам шин. Достоинства: высокая скорость передачи. Недостаток: огра-

ниченная длина шин (обычно несколько метров). Это связано с тем, что

трудно обеспечить высокую помехоустойчивость.

При последовательной передаче информация передается по ограни-

ченному числу проводников. Чаще всего это два провода, выполненные,

например, в виде витой пары, телефонной линии или коаксиального кабе-

ля. Достоинство: большая длина линии связи, которая может достигать 10

– 100 км. Недостаток: низкая скорость передачи.

Шины интерфейса могут обеспечивать 3 вида связи.

1. Дуплексная связь. Характеризуется тем, что используется две

группы шин. Одна группа использует передачу в прямом направлении, а

другая – в обратном. Возможна параллельная передача информации в обе

стороны.

2. Полудуплексная связь (двунаправленная шина). В один момент

времени происходит передача информации в одну сторону, а в другой –

в противоположную.

3. Симплексная связь. Передача осуществляется только в одну

сторону С точки зрения синхронизации интерфейсы бывают двух типов:

синхронные и асинхронные. В синхронных интерфейсах производится

жесткая привязка (тактирование) к моментам времени, отводимым для

приема и передачи данных как активного, так и пассивного устройства

(рис. 1.5). Активным (ведущим, управляющим) является то устройство,

которое берет функцию управления обменом на себя. Пассивным (ведо-

мым, управляемым) является то устройство, которое в процессе обмена

подчиняется приказам ведущего устройства. При этом один интервал вы-

деляется для одного обмена данными.

Если пассивным устройством является ПУ, а ведущим – процессор,

то ПУ должно быть готово к обмену в любой момент времени. Соответст-

вующий интерфейс является безусловным. В данном режиме могут рабо-

тать относительно быстродействующие ПУ.

При асинхронном условном обмене длительность интервалов обмена

меняется и зависит от готовности пассивного устройства.

В некоторый момент времени активное устройство формирует сиг-

налы адреса А, управления У (Чтение/Запись) и передает (ПД) их на соот-

ветствующие шины. После этого выставляется сигнал СА (Синхронизация

активного). СА информирует пассивное устройство о том, что данные D

выставлены, и их можно считывать.

Пассивное устройство принимает (ПМ) сигналы А, У, D, и через не-

которое время сигнал СА. Оно дешифрирует свой адрес и начинает актив-

но действовать только после прихода сигнала СА. Устройство считывает

данные, если готово к их приему. В противном случае готовится к приему

и затем считывает данные с шины данных D и формирует сигнал СП

(Синхронизация пассивного). Интервал времени tз между сигналами СА

и СП может быть различным. Сигнал СП распространяется обратно к

активному устройству и информирует его о том, что данные D приняты,

т. е. «расписывается» в получении данных. Подобную передачу называют

передачей с квитированием.

Последовательный обмен используется в двухпроводных линиях

связи, по которым вся информация передается последовательно. Приме-

няется два вида последовательного обмена:

1) асинхронный обмен;

2) синхронный обмен.

Кодо-информационное слово (КИС) величиной один байт передает-

ся в течение периода Т. Данные размещаются между Старт-импульсом и

Стоп-импульсом. Старт-импульс характеризуется низким напряжением.

После этого передается само информационное слово, затем передается

признак четности или паритет с тем, чтобы суммарное количество единиц

было четным.

Достоинство передачи: высокая помехоустойчивость. Известно, что

помехоустойчивость тем выше, чем больше избыточной информации. В

приведенном примере избыточная информация вызвана наличием Старт-,

Стоп-импульсов, и паритета. В данном случае избыточная информация

составляет одну третью часть от всего интервала передачи Т.

Избыточная информация снижает скорость передачи, поэтому ис-

пользуется синхронный обмен. При этом передается последовательность

синхроимпульсов, с помощью которых синхронизируется таймер прием-

ника информации. С помощью таймера производится выделение КИС

(определение начала и конца кода информационного слова).

Таймер приемника фазируется с помощью синхроимпульсов СИ.

Количество переданных слов N зависит от стабильности таймеров пере-

датчика и приемника. Чем выше стабильность таймеров, тем больше слов

можно передать.

Достоинство синхронной передачи – более высокая скорость по

сравнению с асинхронной. Недостаток – меньшая помехоустойчивость.

Используются следующие режимы обмена:

1) программный режим;

2) режим прерывания программ;

3) режим захвата системных шин.

Программный режим обмена производится по инициативе процессо-

ра ЭВМ. Текущей командой, выполняемой процессором, может быть ко-

манда взаимодействия с ПУ (например, ввода или вывода данных). При

этом процессор выставляет на шину адреса адрес ПУ. ПУ дешифрирует

адрес. Eсли ПУ готово, то принимает либо передает информацию на шину

данных. Если не готово, то процессор ожидает, когда ПУ будет готово.

Только после этого производится обмен

В ситуации когда ПУ до выполнения команды обмена готово к

обмену, поэтому сразу после обращения, т. е. адресации к ПУ, непосред-

ственно происходит обмен. В случае когда ПУ готово не сразу, а

спустя некоторое время после обращения к ПУ, поэтому процессор ждет в

течение времени, когда ПУ будет готово. Только после этого проис-

ходит обмен. Готовность ПУ подтверждается с помощью специальной

управляющей линии, на которую ПУ должно выставить соответствующий

сигнал.

Достоинством программного режима обмена является его простота,

т. к. он производится по инициативе процессора. Недостаток: возможные

непроизводительные затраты времени на ожидание ПУ.

Если же используется быстродействующее ПУ, сравнимое с быстро-

действием процессора, скорость обмена повышается и в ряде случаев не

требуется производить проверку готовности, т. к. устройство безусловно

готово в любой момент времени.

Инициатором режима прерывания является периферийное устройст-

во. Получив сигнал Запрос прерывания, процессор заканчивает выполне-

ние текущей команды. Далее производится следующая последователь-

ность действий.

Достоинство режима: быстрая реакция процессора на запрос обслу-

живания ПУ. В случае, когда периферийных устройств много, возможны

ожидания обслуживания, т. к. процессор может обслуживать прочие ПУ с

более высоким приоритетом. Даже если ПУ одно и процессор ничего не

обслуживает, имеются издержки времени на переключение из одного со-

стояния в другое (переход от работы по основной программе к подпро-

грамме и наоборот). Интерфейс для данного режима более сложный, чем

при программном режиме.

Режим захвата системных шин

Инициатором режима захвата шин является ПУ. Процессор получает

сигнал Запрос захвата, заканчивает выполнение текущего цикла текущей

команды (в общем случае выполнение команды не заканчивается). Про-

цессор отключает свои внутренние шины от системных шин с тем, чтобы

не мешать работе ПУ. Хозяином системных шин становится ПУ. ПУ мо-

жет осуществить взаимодействие с другим ПУ либо с оперативной памя-

тью. Режим взаимодействия ПУ с оперативной памятью называется ре-

жимом ПДП (прямого доступа в память). ПДП является частным случаем

режима захвата шин.

За время занимаемых у процессора машинных циклов ПУ взаимо-

действует с другими ПУ или с памятью. При этом ПУ полностью берет на

себя управление шинами (выставляет адрес, направление обмена, форми-

рует сигналы управления и др.). Процессор в обмене не участвует. Он

только контролирует наличие сигнала Запрос захвата. Когда сигнал сбра-

сывается, процессор снова подключается к системным шинам. Реакция

процессора на сигнал Запрос захвата быстрая и режим обмена является

наиболее быстрым.

Так как функции по управлению берет на себя полностью ПУ, ин-

терфейс оказывается самым сложным. Данный режим обмена рекоменду-

ется использовать, когда необходимо передать большое количество слов с

высокой скоростью.