48.Основы организации интерфейсов микропроцессорных систем.

Основные понятия и определения

Микропроцессорная система состоит из трех подсистем: микропроцессора и основной памяти, образующих ее ядро, и подсистемы вводв/вывода, отвечающей за связь МПС с многочисленными и разнообразными по выполняемым функциям и принципам действия периферийными устройствами. Под периферийным устройством (ПУ) понимают любое устройство, конструктивно отделенное от ядра МПС,имеющее собственноеуправление и выполняющее запросы процессора без его непосредственного вмешательства. По функциональному признаку ПУ делятся на:

внешние запоминающие устройства (ВЗУ), для долговременного хранения больших объемов информации;

устройства ввода/вывода (УВВ), предназначенные для ввода в МПС и вывода из нее информации, в том числедля ее регистрации и отображения.

Передача информации с периферийного устройства в ядро МПС (память или процессор) называется операцией ввода, а передача из ядра МПС в периферийное устройство – операцией вывода. Производительность и эффективность использования МПС определяются не только возможностями ее процессора и основной памяти, но в большой степени составом ее ПУ, их техническими характеристиками и способом организации их совместной работы с ядром МПС. Все ПУ требуют определенного наборауправляющих сигналов, протокола обмена, способа обмена с МПС и вида используемого кода. Поэтому шины обмена информацией подключаются не непосредственно к ПУ.Связьустройств МПС друг с другом осуществляется с помощью специальных средств и правил, которые называются интерфейсами, т.е. интерфейсы объединяют различные устройства в систему. От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность вычислительной машины.

Для подключения ПУ к МПС используют специальные электронные схемы, называемыми интерфейсными модулями. Сложность интерфейса определяется: типом ПУ, их числом, расстоянием между МПС и ПУ, физической природой,их архитектурой.

Кроме аппаратных средств для организации интерфейса необходимо некоторое программное обеспечение, которое включает в себя программы идентификации типа информации (данные, управляющие символы и т.п.), программы преобразования форматов, программы-драйверы для управления обменом информации, программы обработки запросов прерываний и др.

В вычислительной технике под интерфейсом понимается логическая или физическая структура, соединяющая устройства с разными логическими протоколами или конструкциями и служащая для передачи информации между устройствами, нередко разнородными. Интерфейс может быть определен как совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие компонентов системы, т.е. интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

При разработке подсистем ввода/выводадолжны быть решены следующиепроблемы:

• возможность реализации МПС с переменным составом оборудования, в первую очередь с различным набором ПУ, с тем, чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) системы в соответствии с ее назначением, легко дополнять систему новыми устройствами;

• для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования МПС возможность параллельной во времени работы процессора над программой и выполнения периферийными устройствами процедур ввода/вывода;

• упрощение для пользователя и стандартизация программирования операций ввода/вывода, обеспечение независимости программирования ввода/вывода от особенностей того или иного ПУ;

• автоматическое распознавание и реакция системы на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (например, готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работыустройства и т.п.).

Основными путями решения указанных проблем являются следующие:

• модульность;

• унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, которыми ПУ обмениваются с системой;

• унифицированные интерфейсы;

• унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор команд процессора для операций ввода/вывода.

Основное назначение интерфейсов – унификация внутрисистемных и межсистемных связей с целью эффективной реализации прогрессивных методов проектирования МПС. Основная функция интерфейсов – обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости функциональных блоков МПС.

Информационная совместимость – согласованность действий функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий. Логическиеусловия определяют: структуру и состав унифицированного набора шин; набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов функционирования; способ кодирования и формат команд, данных, адресной информации и информации состояния; временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие.

Электрическая совместимость – согласованность статистических и динамических параметров электрических сигналов в системе шин сучетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса и техническую реализацию приемопередающих элементов (ППЭ). Условия электрической совместимости определяют: тип ППЭ; соотношение между логическими и электрическими состояниями сигналов и пределы их изменений; коэффициенты нагрузочной способности ППЭ и значения допустимой емкостной и резистивной нагрузок в устройстве; схему согласования линий; допустимую длину линий и порядок подключения линий к разъемам; требования к источникам и цепям электрического питания; требования по помехоустойчивости. Большинство условий электрической совместимости обычно регламентируются стандартом. Условия электрической совместимости влияют на основные показатели интерфейса, в частности на скорость обмена данными, предельно допустимое число подключенных устройств, их конфигурацию и расстояние между устройствами, помехозащищенность.

Конструктивная совместимость – согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств. Условия конструктивной совместимости определяют: типы соединительных элементов (разъем, штеккер и распределение линий связи внутри соединительного элемента); конструкцию платы, каркаса, стойки; конструкцию кабельного соединения. Условия конструктивной

совместимости в рекомендациях стандартных интерфейсов не всегда определяются полностью, а в некоторых могут отсутствовать или иметь несколько вариантов использования (разъемов, типов кабеля и т.п.).

Таким образом, по определению под интерфейсом понимается стандартный интерфейс, который представляет собой совокупность унифицированных аппаратных, программных, конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия различных функциональных блоков МПС при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.

Стандартизации в интерфейсе подлежат состав и тип линий связи, электрические и временные параметры сигналов, форматы передаваемой информации, команды и состояния, алгоритмы функционирования, конструктивное исполнение соединений. Качество стандарта на интерфейс может быть оценено соотношением,устанавливаемым между ограничениями на реализацию интерфейса и устройств сопряжения и возможностями варьирования тех или иных технических характеристик интерфейса с целью наиболее эффективного приспособления его к конкретной системе. Слишком жесткая регламентация условий совместимости ограничивает область применения интерфейса или же вызывает неоптимальное его использование. Однако при этом упрощается задача проектирования устройств сопряжения. В противоположном случае увеличивается вероятность несовместимости интерфейсного оборудования, разрабатываемого различными производителями.

Жесткая зависимость интерфейсов от архитектурных особенностей МПС является одной из причин, препятствующих унификации многочисленных модификаций интерфейсов. На определенном этапе развития технологии тенденция сохранения интерфейса снижает эффективность использования вычислительных средств и возможность внедрения новых принципов построения МПС. Однако практика показывает, чтоунификация и стандартизация наиболее широко применяемых интерфейсов дают значительный экономический эффект. Этот эффект достигается в сфере производства (сокращение номенклатурыизделий, увеличение объемов партий изделий и пр.), при проектировании и эксплуатации МПС.

Современные темпы развития микроэлектронной технологии, а также тенденции и практика построения микропроцессорных систем в настоящее время определили следующие направления развития интерфейсов:

• дальнейшее повышение уровня унификации интерфейсного оборудования и стандартизации условий совместимости существующих наиболее распространенных интерфейсов на основе обобщения опыта их широкого использования. Это совершенствование направлено на создание новых стандартных интерфейсов или на повышение уровня стандартизации существующих;

• модернизация и расширение функциональных возможностей существующих интерфейсов без нарушения условий совместимости благодаря новейшим достижениям в микроэлектронной технологии и технологии разработки средств передачи информации. Основная цель этого направления – удлинение сроков морального старения стандартных интерфейсов и расширение области их применения;

• создание принципиально новых интерфейсов и разработка требований на их унификацию и стандартизацию. Эта тенденция обусловлена в первую очередь разработкой систем с параллельной распределенной обработкой информации на основе качественно новых принципов организации вычислительного процесса, а также интегрированных распределенных систем.

Структурная организация интерфейсов

Физическая организация – состав, характеристики, конструктивное исполнение механических и электрических средств, а также физических сред (линий передачи данных, соединителей, сигналов, приемопередающих элементов). Такая совокупность служит физической основой для логической организации интерфейса.

Логическая организация – протоколы взаимодействия, алгоритмы формирования сигналов и процедуры обмена. Протокол – совокупность правил передачи кодированной информации между устройствами, узлами или элементами системы.

Составными физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Различают одно- и двунаправленныелинии. Если на линии работает только один передатчик, линия считается однонаправленной, в этом случае используется традиционное схемотехническое решение ППЭ – один источник сигналаподключен к нескольким приемникам. В случае двунаправленных линий количество передающих устройств на линии больше одного, и это требует применения в передающих устройствах специальных решений – выходные каскадыс третьим состоянием, с открытым коллектором (стоком). При этом средствауправления интерфейсом должны управлять передающими устройствами таким образом, чтобы в каждый момент времени передачу осуществляло только одно устройство.

Магистраль – совокупность всех линий интерфейса.

Шина – часть линий интерфейса, сгруппированных по функциональному назначению.

В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: информационного каналаи управления информационным каналом.

По информационной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств.

Коды данных представляют информацию о процессах,протекающих в системе.

Коды адресов предназначены для выборки в магистрали устройств,узлов устройства, ячеек памяти. Обычно для адресации используется позиционный двоичный код (двоичный номер объекта). В некоторых интерфейсах применяется позиционное кодирование, при котором каждому устройству (позиции) выделяется отдельная линия адреса.

Коды команд используются для управления функционированиемустройств и обеспечения сопряжения между ними. В стандартах на интерфейс регламентируется минимально необходимый набор команд, который может быть расширен пользователем за счет резервных полей в кодах. По функциональному назначению различают адресные командыуправления обменом информации между устройствами, команды изменения состояния и режимов работы. К наиболее распространенным командам относятся:

«Чтение», «Запись», «Конец передачи», «Запуск».

Коды состояния представляют собой сообщения, описывающие результат выполнения операции в интерфейсе или состояния устройств. Коды формируются в ответ на действия команд или являются отображением состояний функционирования устройства, таких как «Занятостьустройства», «Наличие ошибки», «Готовность устройства» к приему или передаче информации и т.п

Для передачи каждого типа информации может использоваться отдельная шина интерфейса. Однако на практике обычно используется совмещение шин интерфейса. В этом случае коды данных, адресов, команд и состояний передаются по шинам интерфейса с разделением времени за счет мультиплексирования шин. Для этого в состав интерфейса вводятся дополнительные линии для обозначения типа передаваемой информации,называемые линиями идентификации. Совмещение шин позволяет существенно сократить общее число линий информационной магистрали интерфейса, однако при этом происходит снижение быстродействия передачи информации.

Магистраль управления информационным каналом по своему функциональному назначению делится на шиныуправления обменом, передачи управления, прерывания, специальных управляющих сигналов.

Шина управления обменом включает в себя линии синхронизации передачи информации. Число линий зависит от принятого принципа обмена (асинхронного, синхронного). Асинхронная передача происходит при условии подтверждения приемником готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передачетемп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью сигналов.

Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия магистрали информационного канала. Наличие этой шины определяется тем, чтовзаимодействие в большинстве интерфейсов выполняется по принципу «ведущий-ведомый» («задатчик-исполнитель»), при котором ведущееустройство может брать управление шиной на себя в определенные моменты времени. При наличии в системе нескольких устройств, способных выполнять функции ведущего, возникает проблема приоритетного распределения ресурсов шины – арбитража. Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом. Различают децентрализованную и централизованную структуры. В интерфейсах, предназначенных для объединения только двух устройств (соединение типа «точка-точка»), шина передачи управления отсутствует.

Шина прерывания применяется в основном в системных интерфейсах МПС. Основная ее функция – идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией. Для идентификации устройства обычно используется вектор прерывания.

Шина специальных управляющих сигналов включает в себя линии, предназначенныедля обеспечения работоспособности и повышения надежности устройств интерфейса.К этимлиниям относятся: линии питания, контроля источникапитания, тактирующих импульсов, защитыпамяти, общего сброса, контроля информации и т.п.

Характеристики интерфейсов

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

• пропускная способность интерфейса. Определяется количеством информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

• максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс;

• максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;

• динамические параметры интерфейса. Время передачи отдельного слова и блока данных с учетом продолжительности процедурподготовки и завершения передачи. Эти параметры имеют существенноезначение для МПС, работающих в реальном масштабе времени;

• общее число линий в интерфейсе;

• информационная ширина интерфейса. Определяется числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс