Глава 18. Аппаратура приема-передачи информации

245

Глава 18. АППАРАТУРА ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

18.1. Обобщенная структурная схема аппаратуры передачи дискретной информации

Для организации обмена между центральными и периферийными устройствами при вводе или выводе информации их объединяют каналами, которые включают в себя помимо собственно линий (шин) связи разных типов еще и аппаратуру (рис. 18.1) а также программы управления обменом. На рисунке представлена обобщенная структурная схема системы аппаратуры передачи данных (АПД) однонаправленного действия. Функции отправителя и получателя сообщений попеременно выполняют центральные устройства ЭВМ (ЦП, УУ, ОЗУ, БЗУ) и периферийное устройство ввода или устройство вывода в зависимости от выполняемого режима работы ВС - ввода или вывода. Устройства сопряжения обеспечивают обмен информационным и управляющими сигналами между отправителем и получателем сообщений. В устройствах защиты от ошибок производится кодирование информации (при передаче данных) и декодирование (при приеме) помехоустойчивыми кодами. Устройства преобразования сигналов осуществляют преобразование сигналов данных в форму, удобную для передачи по данному каналу связи (по кабелю, по телефонной, телеграфной линии, по радиоили космическому каналу), и обратное преобразование в форму цифровых сигналов. Координация взаимодействия составных частей АПД обеспечивается специальными импульсами, вырабатываемыми устройствами управления УУ.

Защищенный канал ПД

Незащищенный (дискретный) канал ПД

Непрерывный канал

Оборудование

Устройство

Устройство

Оборудование

отправителя

Устройство

УЗО

преобразования

Канал связи

преобразования

УЗО

Устройство

получателя

сопряжения

сопряжения

сообщения

сигналов

сигналов

сообщения

УУ

УУ

Рис. 18.1. Структурная схема системы аппаратуры передачи данных

Совокупность непрерывного канала с включенными на его входе и выходе устройствами преобразования сигналов называют незащищенным каналом или дискретным каналом передачи данных (ПД), а объединение незащищенного канала с устройством защиты от ошибок - защищенным каналом ПД.

Для обмена информацией между абонентами - отправителем и получателем, используются две однонаправленные системы АПД, которые конструктивно могут быть выполнены в виде одной дуплексной системы ПД.

Глава 18. Аппаратура приема-передачи информации

246

18.2. Характеристики аппаратуры передачи данных

Основными характеристиками, определяющими качество и эффективность передачи данных, являются: надежность, скорость, верность (достоверность) передачи, а также удельная скорость передачи. Немаловажным показателем является сложность аппаратной реализации, определяющая ее стоимость.

Надежность функционирования АПД определяет ее способность работать без отказов при сохранении заданных параметров аппаратуры (ГОСТ 27.003 - 83). Важнейшими показателями надежности являются среднее время наработки на один отказ Тн (ГОСТ 27.410 - 83) и коэффициент готовности Кг (ГОСТ 27.002 - 83). Наработка на отказ Тн представляет собой среднее значение длительности непрерывной работы аппаратуры между двумя отказами. Коэффициент готовности Кг характеризует вероятность того, что АПД будет находиться в исправном состоянии в произвольно выбранный момент времени

T	н	= (∑	in= 1 Ti )	n ,	K	г	= T	н	(T	+ T ) ,
									н	в

где Тi - время безотказной (исправной) работы между i-м и (i+1)-м отказами, n - общее число отказов за время измерений, Тв - время восстановления аппаратуры, определяемое как время простоя, вызванное отысканием и устранением данного отказа.

На практике для АПД массового применения необходимо, чтобы время наработки на отказ составляло не менее 5 000 ч, а коэффициент готовности каналов ПД без резервирования находился в пределах 0,9 - 0,98. Для АПД, применяемой в АСУ, Кг должен быть не менее 0,99, для некоторых специализированных ВС - не менее 0,9999 (“четыре девятки”).

Скорость передачи информации V равна количеству информации, передаваемой по каналу связи за единицу времени:

V =	(log 2 mc )	τ 0 [бит/с],
где mc - количество позиций сигнала; τ		0 - длительность единичного элемента сигнала. Для
двухпозиционных сигналов
V =	1 τ 0 .
Величина 1/τ 0 определяет количество элементов, передаваемых по каналу связи в се-

кунду и носит название скорости модуляции В (Бод). Таким образом, для двоичных систем скорости передачи информации и модуляции совпадают. Применение многопозиционных (многозначно кодированных) сигналов позволяет при одной и той же скорости модуляции повысить скорость передачи по сравнению с двухпозиционными системами.

ГОСТ 17422-72 устанавливает ряд скоростей передачи: для телеграфных каналов 50, 75, 100 и 200 бит/с; для телефонных каналов тональной частоты 300 (200), 600, 1 200, 2400, 3 600, 4 800, 7 200 и 9 600 бит/с; для широкополосных 6, 12, 24, 48, 72 и 96 Кбит/с. При разработке АПД по физическим линиям необходимую скорость передачи также выбирают из приведенного ряда скоростей.

Достоверность передачи данных количественно оценивается вероятностями ошибочного приема единичных элементов РО и кодовой комбинации Ркк , которые определяются

следующим образом:
Po =	n ош		,	Pкк =	N ош		,
	lim n→ ∞	n			lim n→ ∞	N п

где nош , Nош - количество ошибочно принятых единичных элементов и кодовых комбинаций соответственно; n, Nп - количество переданных единичных элементов и кодовых комбинаций соответственно.

В связи с ограниченным числом n и Nп на практике вместо вероятностей Pо и Pкк ис-

Глава 18. Аппаратура приема-передачи информации

247

пользуют коэффициенты ошибок по элементам Kо и по кодовым комбинациям Kкк:

Kо=nош/n, Kкк=Nош/Nп.

Для телефонных каналов величина коэффициента Kо зависит от типа канала и скорости модуляции. Его значения рекомендуется выбирать из таблицы 18.1.

Таблица 18.1. Значения коэффициента ошибок приема по элементам

__________________________________________________________________

Тип канала связи	Скорость	Вероятность
	модуляции,	(коэффициент)
	Бод	ошибки, Kо

___________________________________________________________________________________________________________________

Коммутируемый канал (КК)	300	10-4
Некоммутируемый (выделенный)	600; 10200	10-3
канал (НКК)	300; 600;
	1200	5·10-5

___________________________________________________________________________________________________________________

Коэффициент ошибки по кодовым комбинациям независимо от типа канала и скорости передачи должен быть не более 10-6.

Удельная скорость передачи γ э характеризует эффективность использования канала связи и численно равна количеству передаваемых бит на 1Гц полосы:

γ э =V/∆ Fк ,

где ∆ Fк - эффективная полоса пропускания канала. Удельная скорость передачи, как правило, не превышает 0,39 бит/Гц; при применении специальных автоматических устройств амплитудно-фазовой коррекции - 3,2 бит/Гц и выше.

18.3. Принципы организации интерфейсов

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов (ГОСТ 23633 - 79, IS0, IEEE). Иногда вместо термина “интерфейс” используется понятие “стык” - место соединения устройств передачи сигналов данных, входящих в системы передачи данных. Структурная схема интерфейса показана на рис. 18.2.

	Функциональный	Функциональный	УУ
	блок	блок

Интерфейсный	Интерфейсный	Контроллер
блок	блок

Интерфейс

Рис. 18.2. Структурная схема интерфейса

Стандартные интерфейсы спроектированы и выполнены на основе четырех основных взаимосвязанных принципов проектирования ЭВС: группового, агрегатирования,

Глава 18. Аппаратура приема-передачи информации

248

унификации, взаимозаменяемости.

Принцип группового проектирования заключается в создании ряда (семейства) функционально и конструктивно подобных устройств (модулей, систем) определенного назначения, соответствующих разнообразным условиям их использования. Основная задача группового проектирования - достижение максимальной универсальности и совместимости ЭВМ, вычислительных комплексов внутри каждого ряда интерфейсов.

Принцип агрегатирования (модульного построения) состоит в рациональном разделении системы (устройства) на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (агрегатов, модулей) с целью совершенствования их технических характеристик, а также обеспечения высокопроизводительных способов производства и обслуживания. Модули объединяются в нужных количествах и нужной номенклатуры с помощью унифицированных систем связей - интерфейсов. Примером применения модульного проектирования является разработка микропроцессорных комплектов; по магистральномодульному принципу организованы микроЭВМ.

Принцип унификации заключается в минимизации номенклатуры составных узлов, блоков, устройств, модулей и связей между ними при условии рациональной компоновки и эффективного функционирования устройства или системы в целом. Интерфейс можно рассматривать как результат унификации связей и устройств сопряжения составных элементов ЭВМ и систем.

Принцип взаимозаменяемости основывается на способности модуля выполнять в устройстве различные функции по его установке и подключению без дополнительной конструкторской доработки. Взаимозаменяемость является следствием унификации. Примером взаимозаменяемости может служить универсальная интерфейсная карта (или программируемый интерфейс), являющаяся базой ряда устройств ввода-вывода.

Таким образом, интерфейс предназначен для унификации внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации существующих и перспективных элементов ЭВС.

Одна из основных функций интерфейса заключается в обеспечении информационной совместимости между элементами системы, которая заключается в согласованности взаимодействий функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют структуру и состав унифицированного набора шин, набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования, способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния, временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие.

Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные технико-экономи- ческие показатели - пропускную способность, надежность работы интерфейса и объем аппаратных затрат на устройства сопряжения.

Составными физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной, а вся совокупность линий - магистралью. В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: информационную и управления (каналом); по информационной передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса. К наиболее распространенным командам относятся ЧТЕНИЕ, ЗАПИСЬ, КОНЕЦ ПЕРЕДАЧИ, ЗАПУСК. Коды состояния описывают состояния сопрягаемых устройств или формируются в ответ на действия команд. Широко используются такие коды состояний, как ЗАНЯТОСТЬ УСТРОЙСТВА, НАЛИЧИЕ ОШИБКИ, ГОТОВНОСТЬ УСТРОЙСТВА (к приему или передаче информации) и другие.

Глава 18. Аппаратура приема-передачи информации

249

Магистраль управления информационным каналом делится на ряд шин. Шина управления обменом состоит из линий синхронизации передачи информации. В зависимости от принятого принципа обмена (асинхронного, синхронного) число линий может изменяться от одной до трех.

Асинхронная передача происходит при условии подтверждения принимающим информацию устройством готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью сигналов. Линии шины управления обменом выполняются, как правило, двунаправленными.

Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия (захвата) магистрали информационного канала. Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом. Различают децентрализованную и централизованную структуры управления. В интерфейсах, предназначенных для объединения только двух устройств (соединение типа “ точка - точка”), эта шина отсутствует.

Шина прерывания применяется в основном в машинных интерфейсах мини- и микроЭВМ и программно-модульных систем. Основная ее функция - идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией. Идентификация состоит в определении контроллером (процессором) исходной информации о запрашиваемом устройстве. В качестве информации об устройстве используется адрес источника прерывания текущей программы либо адрес программы обслуживания прерывания (вектор прерывания).

Шина специальных управляющих сигналов включает в себя линии, предназначенные для обеспечения работоспособности и повышения надежности устройства интерфейса. К этим линиям относятся линии питания, контроля источника питания. тактовых импульсов, защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т.п.

В соответствии с ГОСТ 26.016 - 81 структуры связей интерфейсов подразделяют на магистральную, радиальную, цепочечную и смешанную (комбинированную).

Для обеспечения информационной совместимости интерфейс реализует ряд функций:

-селекцию (выбор) информационного канала,

-синхронизацию обмена информацией,

-координацию взаимодействия,

-буферное хранение информации,

-преобразование формы представления информации.

Первые три функции выполняет канал управления, четвертую и пятую - информационный канал. Рассмотрим особенности реализации указанных функций в типовых интерфейсах, используемых в ВС и локальных сетях массового применения.

Управление операциями селекции выполняется централизованно и децентрализованно. При централизованном управлении возможны несколько вариантов реализации селекции (рис. 18.3). На рис. 18.3, a приведена схема временной селекции магистрали на основе генератора временных интервалов контроллера. Магистраль предоставляется каждому устройству через равные промежутки времени, определяемые скоростью работы генератора тактов, а моменты занятия магистрали определяются счетчикам, синхронно работающими в каждом из подключаемых устройств. Такое решение обеспечивает правило приоритетного обслуживания “первый пришел - последним обслуживается”.

На рис. 18.3, б приведена схема пространственной селекции на основе последовательного адресного сканирования источников запроса. Выбор источника запроса начинается по общему сигналу запроса и выполняется последовательно кодовой адресацией всех подключаемых устройств в соответствии с принятым правилом обслуживания. При обнаружении источника запроса устанавливается сигнал “Занято” и дальнейшая выдача контроллером адресов прекращается. По окончании обслуживания данного запроса возобновляется поиск следующего источника. Достоинство этого варианта - гибкость в реализации правил обслу-

Глава 18. Аппаратура приема-передачи информации

250

живания, недостаток - низкое быстродействие. Этот вариант широко применяется в стандартных интерфейсах (ГОСТ 26.003 - 80).

Схема последовательной (цепочечной) селекции показана на рис. 18.3, в. Такая селекция наиболее распространена в машинных интерфейсах как наиболее простая и достаточно быстродействующая. Поиск источника запроса начинается по сигналу “Запрос”. Идентификация наиболее приоритетного устройства выполняется сигналом “Подтверждение”, который последовательно проходит через все устройства. Приоритетным в данном случае будет устройство, наиболее близко расположенное к контроллеру. При поступлении сигнала “Подтверждение” в устройство - источник запроса, дальнейшее его прохождение блокируется и устройством выставляется сигнал “Занято”.

Отличие схемы селекции по выделенным линиям (рис. 18.3, г) заключается в том, что общие линии “Запрос” и “Подтверждение” заменяются системой радиальных линий. Максимальное время занятия информационной магистрали для этой схемы будет меньше, чем для цепочечной структуры, так как сигналы по шинам запроса и подтверждения могут передаваться параллельно. Этот вариант обладает также гибкостью установления дисциплины обслуживания, поскольку контроллер с помощью масок может устанавливать произвольный приоритет и порядок опроса. Однако это достигается за счет существенного увеличения числа линий и усложнения аппаратуры.

	Занято		Запрос
Контроллер	Такты	Контроллер	Занято
ИБ	ИБ	ИБ	Подтверждение	ИБ
	а)		в)

	Занято		Занято
	Такты		Подтверждение
			Запрос
Контроллер	Адрес
		Контроллер
			Подтверждение 1
	ИБ	ИБ	Запрос 1
			ИБ	ИБ
	б)			г)

Рис. 18.3. Схемы селекции магистрали централизованной структуры

При децентрализованном управлении также имеются варианты реализации селекции (рис. 18.4). В схемах децентрализованной пространственной селекции наличествуют замкнутые линии запроса и подтверждения. Вариант рис. 18.4, а отличается исключением линии “Занято” и замыканием общей линии “Запрос” с линией “Подтверждение”. Необходимым условием установления запроса любым устройством является отсутствие входного сигнала подтверждения. При выдаче запроса этот сигнал “дизъюнктивно” формируется на линии и трансформируется в сигнал “Подтверждение”, который будет проходить до устройства, выставившего запрос и находящегося наиболее близко по отношению к участку замыкания.

Вариант децентрализованной кольцевой структуры показан на рис. 18.4, б. Здесь используется одна линия, определяющая состояние занятости информационного канала по циркуляции в линии маркерного импульса или серии импульсов. Устройство, запрашивающее шину, не пропускает маркер к следующему устройству, и, таким образом, циркуляция импульсов прекращается. Эта структура широко распространена в интерфейсах локальных сетей. Достоинство кольцевой структуры - использование малого количества оборудования и линий связи, основной недостаток - низкая помехоустойчивость.