ЭВМ II семестр

Внутримашинный системный интерфейс

Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей.

Внутримашинный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков вычислительной машины между собой – представляет собой совокупность линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами вычислительной машины, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

1.Многосвязный интерфейс: каждый блок вычислительной машины связан с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых устройствах.

2.Односвязный интерфейс: все блоки вычислительной машины связаны друг с другом через общую или системную шину.

Шина – совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно.

Системной шиной (общей магистралью) называется шина между процессором, подсистемой памяти и устройствами ввода-вывода. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются:

∙количество обслуживаемых устройств;

∙пропускная способность: максимально возможная скорость передачи информации;

∙разрядность – количество проводников (металлизированных дорожек на печатной плате), используемых для передачи данных (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные);

∙тактовая частота;

∙протокол обмена данными – стандарт, определяющий поведение функциональных блоков при передаче данных; протокол задаётся набором правил взаимодействия функциональных блоков, расположенных на одном уровне и описывает синтаксис сообщения, имена элементов данных, операции управления и состояния.

При взаимодействии модуля процессора с модулями памяти осуществляются

операции считывания или записи информации, а при взаимодействии с периферийными устройствами – операции ввода-вывода информации. При этом кроме собственно данных и адресов ячеек памяти или регистров периферийных устройств по магистрали необходимо передавать и служебные управляющие сигналы. Ввиду этого общую магистраль разделяют на три (в общем случае) самостоятельные шины:

∙шину адреса (ША);

∙шину данных (ШД);

∙шину управления (ШУ).

Технически проще использовать однонаправленные шины, но тогда их число должно увеличиться, т.е. отдельные шины для операции «чтение» (ввод) и «запись» (вывод). Это приводит к существенному увеличению числа контактов

51

разъема модуля процессора и числа проводников общей шины. Поэтому производится объединение однонаправленных шин в одну двунаправленную, управляемую соответствующими сигналами – запись/чтение (READ/WRITE) для модулей памяти или ввод/вывод (INPUT/OUTPUT) для модулей периферийных устройств.

Возможны 5 вариантов структур системной шины только с двунаправленными шинами.

1. Раздельные шины (рис. 31).

К памяти

Шина адреса	ПРО-	Шина адреса
		ввода/вывода
Шина данных ЦЕС-		Шина данных ввода/вывода
Шина управл.	СОР	Шина управления

К УВВ

Рис. 31. Раздельные шины

Использование отдельных двунаправленных шин упрощает обмен процессора с модулями памяти и устройств ввода-вывода и дает принципиальную возможность вести его в перекрывающиеся интервалы времени. При этом адресные пространства ячеек памяти и регистров устройств ввода-вывода могут перекрываться.

Основным недостатком такой структуры является большое число проводников общей магистрали и контактов модуля МП.

2. Изолированные шины (рис. 32).

ПРО-		Шина адреса
		Шина данных
ЦЕС-
СОР	R/W	Шина управления I/O
	К памяти		К УВВ

Рис. 32. Изолированные шины

Сходство процессов обмена процессор – память и процессор – регистры устройств ввода-вывода позволяет использовать в обоих случаях одни и те же проводники шин адреса и данных. Адресные пространства ячеек памяти и регистров устройств ввода-вывода могут перекрываться, т. е. они изолированы. Для того чтобы занять шины для обмена с памятью, процессор выдает сигналы

READ/WRITE, а для обмена с ПУ – INPUT/OUTPUT.

По сравнению с предыдущей структурой число проводников общей магистрали (как и модуля процессора) уменьшилось, но исчезла принципиальная возможность вести параллельный обмен с памятью и периферийными устройствами.

52

3.Изолированные шины и мультиплексирование шин адреса и данных

(рис. 33)

ПРО-		Шина адреса/данных
ЦЕС-
СОР	R/W	Шина управления I/O
	К памяти		К УВВ

Рис. 33. Изолированные шины и мультиплексирование шин адреса и данных

Шины адреса и данных для такой структуры совмещены. В результате передача адресов и данных идет в разные моменты времени. Адресные пространства ячеек памяти и регистров устройств ввода-вывода изолированы.

По сравнению с предыдущими структурами требуется меньшее число проводников общей магистрали и выводов модуля процессора, но адреса и данные могут передаваться только в неперекрывающиеся моменты времени. Это затрудняет возможность конвейеризации процесса выполнения команд и удлиняет цикл обмена данными процессор – память.

4. Общие шины (рис. 34).

ПРО-	Шина адреса
ЦЕС-	Шина данных
СОР
Шина управления
К памяти	К УВВ

Рис. 34. Общие шины

Втакой структуре команды ввода-вывода (INPUT/OUTPUT) вообще исключены, что упрощает структуру модуля процессора и общей магистрали, хотя количество проводников примерно соответствует структуре с изолированными шинами. Ячейки памяти и регистры устройств ввода-вывода лежат в общем адресном пространстве, и для обращения к ним используются одни и те же команды.

Вряде случаев это является преимуществом, однако при возникновении определенных сбоев в работе периферийных устройств и их некорректной обработки со стороны операционной системы возможны «зависания» вычислительного процесса.

5. Общие шины и мультиплексирование шин адреса и данных (рис. 35).

53

Шина адреса/данных

ПРОЦЕС

СОР

Шина управления

К памяти		К УВВ

Рис. 35. Общие шины и мультиплексирование шин адреса и данных

Современные микропроцессоры имеют команды ввода-вывода, т.е. дают возможность организовать структуру с изолированными шинами. При этом все они допускают обращение к регистрам устройств ввода-вывода как к ячейкам памяти, т.е. позволяют реализовать структуру с общими шинами.

В вычислительной машине магистрально-модульной архитектуры наличие единого ресурса (магистрали) позволяет вести обмен между устройствами только в неперекрывающиеся моменты времени: в каждый момент времени существует только один канал связи между двумя устройствами – «передатчиком» и «приемником».

Поскольку в вычислительном процессе участвуют устройства, имеющие различную производительность, интенсивность информационных потоков для различных устройств различна. С целью повышения эффективности использования аппаратных средств, информационное взаимодействие между устройствами осуществляется не через одну магистраль, а через систему шин (магистралей) с различной пропускной способностью. Управление информационным обменом между блоками вычислительной машины осуществляют две микросхемы – системный контроллер и контроллер шин. Между собой эти микросхемы взаимодействуют через шину PCI (рис. 36).

Системный контроллер, взаимодействуя с центральным процессором, управляет работой внешней КЭШ-памяти, основной памяти и обменами по шине

PCI.

Контроллер шин выполняет следующие системные функции:

∙организация обменных процессов между шиной PCI и другими шинами расширения с согласованием рабочих частот и синхронизацией этих шин;

∙реализация стандартных средств ввода-вывода: прямой доступ к памяти (ПДП), обслуживание контроллеров прерываний, таймеров-счетчиков;

∙коммутация запросов прерываний от устройств на шине PCI;

∙коммутация каналов ПДП;

∙реализация взаимодействия с внутренней шиной для подключения клавиатуры, энергонезависимой памяти с BIOS, часов реального времени;

∙реализация контроллера интерфейса USB;

∙поддержка режимов энергосбережения;

∙управление тактовой частотой процессора.

54

Системная шина

Шина PCI

Рис. 36. Организация обменных процессов в вычислительной машине

Обмен данными через системную шину

Обмен между модулями вычислительной машины включает в себя запись в ОЗУ, считывание из ОЗУ, запись в регистры обслуживания периферийных устройств, считывание из регистров периферийных устройств, прямой доступ к памяти, и другие модификации указанных операций. Синхронизация операций обмена может осуществляться фронтами, уровнями синхроимпульсов магистрали или отсутствовать.

Цикл шины (магистрали) – это совокупность служебных операций блоков передатчика и приемника, необходимых для реализации конкретной процедуры обмена по общей магистрали между двумя устройствами вычислительной машины.

Длительность цикла шины (магистрали) – это интервал времени,

необходимый для реализации конкретной однократной процедуры обмена по общей магистрали между двумя устройствами вычислительной машины.

55

Внешние интерфейсы

Различают внутренние и внешние интерфейсы вычислительной машины. Внутренний интерфейс – средства и правила взаимодействия между

внутренними компонентами системы.

Внешний интерфейс – средства и правила взаимодействия вычислительной системы с внешними объектами (пользователями, вычислительной сетью и т.п.).

Интерфейс пользователя, пользовательский интерфейс, человеко-

машинный интерфейс (user interface, man-machine interface) – комплекс программных средств, обеспечивающий взаимодействие пользователей с системой;

Графический интерфейс пользователя, графический пользовательский интерфейс (GUI - Graphical User Interface) – тип интерфейса пользователя,

организованный так, что для облегчения его работы сведения о программах, файлах, режимах работы (опциях) и т.п. отображаются на экране монитора в виде графических символов (пиктограмм) а также связанных с ними всплывающих меню. Выбор и активизация необходимого варианта обычно осуществляется манипулятором мышь. Данные при этом отображаются в прямоугольных зонах экрана (окнах), которыми оператор может различным образом манипулировать.

Концепция графического пользовательского интерфейса в настоящее время применяется в операционной среде Windows для IBM-асовместимых ПК, хотя разработана она была еще в 1970-х гг. корпорацией Xerox и широко использовалась в компьютерах Макинтош фирмы Apple начиная с 1980-х гг.

Интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов. Количество битов, передаваемых за один цикл, определяется разрядностью интерфейса.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера.

Параллельные интерфейсы (LPT - порты) обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных, они служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

Стандартный интерфейс [standard interface] – унифицированный интерфейс, используемый для стандартного подключения внешних устройств к каналам ввода-вывода. Стандарт интерфейса определяет

∙механические характеристики интерфейса (разъемы и соединители);

∙электрические характеристики сигналов (логические уровни);

∙функциональные описания интерфейсных схем (протоколы передачи).

56

Большинство внешних интерфейсов построено по принципу ведущий – ведомые (Master – Slave).

Ведущее устройство (Master) – главное устройство в сети, которое может самостоятельно запрашивать данные у ведомых устройств.

Ведомое устройство (Slave) – устройство, которое не может самостоятельно инициировать передачу своих данных, а передает или принимает их только по запросу ведущего устройства сети.

Передатчик – устройство, передающее информацию в данный момент времени.

Приемник – устройство, принимающее информацию в данный момент времени.

Посылка – минимальный объем передаваемых данных, достаточный для интерпретации устройством-приемником в системе связи.

Линия связи – совокупность технических устройств и физической среды, обеспечивающая распространение сигналов от передатчика к приёмнику.

Большинство интерфейсов используют одно ведущее устройство и одно или несколько ведомых устройств.

Различают дуплексный и полудуплексных режимы работы приемопередающих устройств. В режиме дуплекс устройства могут передавать и принимать информацию одновременно. В режиме полудуплекс – или передавать, или принимать информацию.

Скорость передачи информации – скорость передачи данных, выраженная в количестве бит, символов или блоков, передаваемых за единицу времени. Обычно единицей измерения скорости передачи является 1 бод = 1 бит/с.

Обмен данными между устройствами может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.

Синхронный режим имеют строгую привязку всех операций по реализации цикла обмена к фронтам или уровням синхроимпульсов. Основным преимуществом синхронного режима является наличие простой логики управляющих устройств блоков и обеспечение наивысшей пропускной способности при обмене. Основным недостатком синхронного режима является требование комплексной синхронизации взаимодействующих блоков, дополнительное оборудование и программное обеспечение, а также примерно одинаковое быстродействие всех устройств.

Асинхронный режим отличается отсутствием синхронизации операций по реализации циклов обмена, т.е. передача тактовых импульсов по отдельной линии связи отсутствует. Основным преимуществом асинхронного режима является повышенная гибкость и возможность связывать в единую систему устройства, имеющие различное быстродействие, что является важным при построении открытых управляющих систем, например АСУТП. Основной недостаток асинхронного режима – ограниченная пропускная способность при обмене данными. Возникает также потребность в управляющих сигналах, определяющих моменты считывания информации, в частности сигнала стробирования. Сигнал стробирования (строб) – специальный сигнал, поступающий с некоторой

57

фиксированной задержкой относительно момента выставления данных на линиях общей магистрали, и указывающий приемнику момент считывания информации. При передаче информации существует проблема определения момента ее считывания, что является следствием некоторой электрической асимметрии выходных каскадов передатчика и приемника, вызванной технологическими причинами. Это приводит к разбросу времени установления сигналов на различных линиях общей магистрали. При синхронном обмене это решается введением задержки считывания данных относительно синхроимпульса. При асинхронном обмене момент считывания информации указывается сигналом стробирования.

По организации обратной связи в обменных процессах выделяют:

∙замкнутые магистрали;

∙разомкнутые магистрали.

Замкнутые магистрали – магистрали, в которых между передатчиком и приемником существует обратная связь. Приемник, после считывания информации с линий общей магистрали обязан известить передатчик о завершении цикла обмена сигналом квитирования. Для передачи квитанции используют линии шины данных, или специально выделенные линии. При использовании корректирующих кодов квитанция может сообщить передатчику о возникшей ошибке. Передатчик не начинает новый цикл обмена до получения квитанции. При отсутствии квитанции в течение некоторого времени (тайм-аута) возникает прерывание, обработка которого позволяет предотвратить ошибки в системе, возникающие за счет сбоев в аппаратуре и внешних помех. Основным преимуществом замкнутых магистралей является повышенная надежность обмена по общей магистрали. Основными недостатками замкнутых магистралей является необходимость дополнительного оборудования для формирования и передачи квитанции и увеличение времени цикла обмена из-за тайм-аута ожидания квитанции.

Разомкнутые магистрали – передатчик, выставив на линии общей магистрали подлежащую передаче информацию, больше «не заботится» о том, считана она приемником или нет. Предполагается, что информация обязательно считана приемником и возможна инициализация нового цикла обмена. Преимуществами разомкнутых магистралей является простота аппаратного и программного обеспечения общей магистрали и меньшая стоимость и повышенная производительность при обмене. Основным недостатком разомкнутых магистралей является повышенная вероятность ошибок в системе, возникающих за счет сбоев в аппаратуре и внешних помех. Это существенно ограничивает область применений разомкнутых магистралей.

Интерфейс RS-232C

Стандарт на последовательный интерфейс RS-232C был опубликован в 1969 г. Ассоциацией электронной промышленности (EIA). Префикс «RS» (англ. Recommended Standard) озачает рекомендованный стандарт. Первоначально этот интерфейс использовался для подключения вычислительных машин и терминалов

58

к системе связи через модемы, а также для непосредственного подключения терминалов к машинам. До недавнего времени последовательный интерфейс использовался для широкого спектра периферийных устройств (плоттеры, принтеры, мыши, модемы и др.), но сейчас активно вытесняется интерфейсом

USB.

Обычно интерфейсы RS-232C в составе вычислительной машины обозначаются COM1, COM2 и т. д. Для подключения устройств используется 9- контактный (DB9) или 25-контактный (DB25) разъем (рис. 37).

		Количество	A	B	C	D
DB9		контактов
		9	16.9	24.99	30.81	19.28
		15	25.25	33.32	39.14	27.51
		19	32.90	39.03	44.80	33.80
		23	38.50	44.36	50.30	38.15
	DB25	25	38.96	47.04	53.04	41.30
		37	55.42	63.50	69.32	57.31

Рис. 37. Разъем компьютерного интерфейса RS-232C

Интерфейс RS-232C содержит сигналы квитирования, обеспечивая асинхронный режим функционирования. При этом одно из устройств (обычно компьютер) выступает как DTE (Data Terminal Equipment – оконечное устройство), а другое – как DCE (Data Communication Equipment – устройство передачи данных), например, модем. Соответственно, если для DTE какой-то сигнал является входным, то для DCE этот сигнал будет выходным, и наоборот (таблица 2).

В простейшем случае для обмена могут использоваться лишь три линии: TxD, RxD и SG – без использования сигналов квитирования.

59

			Таблица 2. Описание контактов разъема интерфейса RS-232С
Сигнал	Номер		Описание
	контакта
	DB25	DB9
FG	1	-	Fore Ground – защитное заземление.
TxD	2	3	Transmit Data – данные, передаваемые DTE.
RxD	3	2	Receive Data – данные, принимаемые DTE.
RTS	4	7	Request To Send – запрос передачи, выставляется DTE.
CTS	5	8	Clear To Send – сигнал сброса для передачи, выставляется DCE при
			готовности к приему.
DSR	6	6	Data Set Ready – готовность данных, выставляется DCE при
			готовности к передаче.
SG	7	5	Signal Ground – сигнальное заземление, «нулевой» провод.
DCD	8	1	Data Carrier Detect – обнаружение несущей данных, выставляется
			DCE при детектировании принимаемого сигнала.
DTR	20	4	Data Terminal Ready – готовность DTE.
RI	22	9	Ring Indicator – индикатор вызова, выставляется DCE при приеме
			вызова по телефонной сети.

Основные принципы обмена информацией по интерфейсу RS-232C заключаются в следующем:

∙обмен данными обеспечивается по двум цепям, каждая из которых является для одной из сторон передающей, а для другой – приемной;

∙в исходном состоянии по каждой из этих цепей передается двоичная единица, т. е. стоповая посылка, передача стоповой посылки может выполняться сколь угодно долго;

∙передаче каждой посылки данных предшествует передача стартовой посылки, т.е. передача двоичного нуля в течение времени, равного времени передачи одного бита данных;

∙после передачи стартовой посылки обеспечивается последовательная передача всех разрядов данных, начиная с младшего разряда, количество битов может быть 5, 6, 7 или 8;

∙после передачи последнего бита данных возможна передача контрольного разряда, который дополняет сумму по модулю 2 переданных разрядов до четности или нечетности, в некоторых системах передача контрольного бита не выполняется;

∙после передачи контрольного разряда или последнего бита, если формирование контрольного разряда не предусмотрено, обеспечивается

передача стоповой посылки. Минимальная длительность стоповой посылки может быть равной длительности передачи одного, полутора или двух бит данных.

Обмен данными по описанным выше принципам требует предварительного согласования приемника и передатчика по скорости (длительности бита) (50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бод),

количеству используемых разрядов в символе (5, 6, 7 или 8), правилам формирования контрольного разряда (контроль по четности, по нечетности или

60