4.3. Интерфейсы периферийного оборудования

К стандартной системной магистрали подключаются унифициро­ванные модули, образуя «электронную» часть аппаратуры микроЭВМ (см. рис. 4.1). Но необходимы и периферийные устройства (ПУ). Следуя принципам магистрально-модульной организации, сопря­жение ПУ также стандартизируется. По сути, контроллер любого внешнего устройства является согласователем системного интер­фейса и некоторого стандартного интерфейса ПУ. Различают три группы интерфейсов периферийных устройств (рис. 4.9): параллель­ные, последовательные и интерфейсы внешних запоминающих устройств.

Параллельные интерфейсы переферийных устройств. Параллель­ные интерфейсы используются для сопряжения микроЭВМ с устройствами низкого и среднего быстродействия при небольших объемах передаваемой на малые расстояния информации, например, для подключения печатающих устройств, графопостроителей, алфавитно-цифровых и графических видеотерминалов, перфоленточных и перфокарточных УВВ, измерительного оборудования и тому подобных приборов, расположенных в непосредственной близости от микроЭВМ (до 10—15 м).

Наиболее распространенным сопряжением такого типа является интерфейс (магистраль) программируемых приборов и устройств GPIB, первоначально разработанный фирмой Hewlett-Packard (фирменное название HP-IB), одобренный Советом IEEE (GPIB, IEEE-488) принятый Международной электротехнической комиссией (IEC 625-1, IEC-bus) [1.5, 1.12, 3.111. Интерфейс поддерживает побайтный или поблочный асинхронный обмен между несколькими приемниками и/или источниками информации. Типичная скорость передачи данных 250 Кбайт/с, которую с помощью специальных технических приемов можно увеличить до 1 Мбайт/с. Устройства, подключаемые к магистрали GPIB, классифицируются как прибо­ры-источники (talker — «говоритель»), приборы-приемники (liste­ner — «слушатель»), приборы-источники/приемники и прибор-кон­троллер. Последний всегда один, он выполняет функции общего управления магистралью. Максимальное число подключаемых устройств 15 (ограничивается электрическими характеристиками драйверов линий), но организация прерываний существенно упро­щается, если используется не более 8 приборов. Суммарная длина всех соединительных кабелей между приборами не должна превы­шать 20 м, не более 2 м между устройствами. Стандарт поддержи­вает два способа организации прерываний. Первый с помощью спе­циальной линии SRQ, которая возбуждается прибором, требующим внимания. Контроллер, получив запрос, поочередно опрашивает все устройства для определения источника и его обслуживания. Во втором способе устройства выставляют запросы на линии дан­ных, каждый на свою. Это значительно ускоряет установление источ­ника и, следовательно, повышает производительность магистрали в целом.

Приборы объединяются с помощью 24-проводного кабеля, име­ющего 16 сигнальных линий и 8 нулевых. Последние образуют с ли­ниями данных витую пару, что повышает помехоустойчивость пере­дачи информации. Кроме 8 линий данных (D108—DI01) исполь­зуются следующие линии управления:

внимание (ATN), возбуждается контроллером и сопровождает выдачу на линии данных адреса устройства или команды;

конец или идентификация (ЕЮ), выполняет две функции. Во-первых, прибор-источник устанавливает низкий уровень, когда передает последний байт блока данных. Во-вторых, контроллер гене­рирует низкий уровень одновременно с ATN для идентификации параллельного опроса устройств;

запрос на обслуживание (SRQ), любое устройство может пере­вести линию в низкий уровень, что сигнализирует контроллеру о запросе на обслуживание. Линия выполнена по схеме «монтаж­ное ИЛИ»;

сброс (IFC), используется контроллером для перевода всех

устройств в некоторое предопределенное исходное состояние;

разрешение (REN), используется контроллером для сигнали­зации приборам о возможности работы вне магистрали (высокий уровень);

нет готовности (NRFD), низкий уровень на линии свидетельству­ет о том, чти приемник (или приемники) не готовы выполнить прием данных. Уровень поддерживается низким, пока все приемники не будут в состоянии принять байт;

информация не принята (NDAC), низкий уровень на линии сви­детельствует о том, что приемник (или приемники) еще не приняли информацию. Уровень поддерживается низким, пока все приемники не примут байт;

действительные данные (DAV), прибор-источник устанавливает низкий уровень на линии, сопровождая действительные данные на линиях D108—DI01. Прибор имеет право установить этот сигнал только тогда, когда NRFD высокий, и снять, когда высоким стано­вится NDAC.

Особенностью стандарта GPIB является отделение интерфейсных функций, гарантирующих совместимость с другими устройствами, и приборных, определенных основным назначением изделия. Выде­лено 10 интерфейсных функций, пять из них главные, без которых невозможно обеспечить построение работоспособной системы. Вза­имосвязь приборов поддерживается с помощью команд, передава­емых по магистрали. Команды разделяются на однолинейные (EOI, SRQ, ... , которые передаются по соответствующим линиям магистрали) и многолинейные, передаваемые кодом по линиям дан­ных в сопровождении сигнала ATN. Стандарт регламентирует коды команд и сообщений, коды и форматы представления информации, форматы представления чисел.

Широко используется и параллельный интерфейс BS 4421 (анг­лийский стандарт) и его аналог ИРПР [1.11, 1.201. Интерфейс радиальный параллельный (ИРПР) является стандартным интер­фейсом ПУ в системе малых ЭВМ (СМ ЭВМ), выпускаемых странами СЭВ. Интерфейс обеспечивает однонаправленный обмен только между одним источником и одним приемником. Дчя двунаправлен­ного обмена (дуплексного режима) требуются два сопряжения. Стан­дарт определяет 18 линий, которые можно разбить на три группы. Сигнальная группа содержит 8 линий данных и линию контрольного разряда (в ИРПР расширена до 16 разрядов). Группа управления включает линии готовности источника и приемника, строб источника и запрос приемника, линии проверки и ошибки и линию завершения работы источника (в ИРПР имеются только первые четыре). Две линии, экран и нуль образуют группу заземления. Передача данных по сопряжению асинхронная, скорость обмена зависит от схемных решений приемника и источника. Для микроЭВМ на базе МП 8086/8088 типичным значением является 0,1 Мбайт/с при максималь­ной длине соединительного кабеля 15 м.

Последовательные интерфейсы периферийных устройств. После­довательная передача данных в МпВТ используется для сопряже­ния с устройствами ввода-вывода, когда нет необходимости в высо­кой скорости обмена, и для подключения к различным государствен­ным и коммерческим информационно-вычислительным сетям. По­следовательная передача характеризуется низкой стоимостью, возможностью разнесения устройств на значительные расстояния, удобством эксплуатации. Она не только имеет давнюю и интересную историю (телеграфная связь, телетайпная связь), но и продолжает бурно развиваться в настоящее время (глобальные и локальные вы­числительные сети). Существует большое количество разнообразных способов последовательной передачи данных и протоколов обмена, имеющих различный уровень стандартизации. Некоторая унифика­ция в этой области была установлена благодаря семиуровневой мо­дели открытых систем, разработанной Международной организацией по стандартизации (см., например, [1.18]) два нижних уровня кото­рой тесно связаны с последовательной передачей данных.

Наиболее низкий уровень — физический, определяет электри­ческие, функциональные и процедурные характеристики для уста­новления, поддержания и разрыва физической связи. В первую очередь здесь регламентируются способ и уровни представления двоичной цифры, количество и тип линий, их назначение, тип разъ­ема. Опишем кратко ряд наиболее распространенных физических интерфейсов последовательного обмена.

Интерфейс «токовая петля» (current loop, CL) или интерфейс радиальный последовательный (ИРПС) (1.2, 1.201. Интерфейс по­зволяет осуществлять асинхронную последовательную передачу И прием данных по четырехпроводной линии связи, по два провода на каждое направление (витая пара). Информация передается в виде уровня тока в двухпроводной линии (петле). Состояние логической единицы представляется наличием тока в цепи, состояние нуля — его отсутствием. Различают два типа цепей: 40-миллиамперная петля (состояние 1—30...50 мА, состояние 0—5...10 МА) и 20-мил-лиамперная петля (состояние 1 — 15...30 мА, состояние 0—О... ...З мА). Интерфейс обеспечивает передачу данных со скоростью 9600 бит/с на расстояние до 900 м, при увеличении расстояния ско­рость пропорционально снижается. Время нарас1ания и спада тока в петле не должно превышать 50 мкс. Рекомендуется управляемые источники тока и приемники выполнять на оптических согласу­ющих устройствах (оптронных парах), обеспечивающих гальвани­ческую развязку управляющих и сигнальных цепей. Источник тока, как правило, устанавливается на передатчике.

Интерфейс RS-232C, стык С2[\.2, 1.20]. Интерфейс применя­ется для асинхронного обмена данными по самым разнообразным каналам. Он первоначально использовался для сопряжения оборудо­вания с аппаратурой передачи данных по телефонным линиям (мо­демами). Полный интерфейс имеет 25 однопроводных линий, однако в большей части терминальных устройств используются только три — пять основных. Сюда в первую очередь вносятся линии пе­редачи и приема данных, запроса передатчика и готовности прием­ника, синхронизации и заземления. Скорость передачи данных ог­раничена величиной 20 Кбит/с (стандартные скорости 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 2800, 9600, 19200 бит/с. Логическая единица представляется напряжением — 3...—15 В, логический нуль — + 3...+ 15 В. Такие необычные для интегральной схемо-техники уровни привели к разработке стандартов RS-422 и RS-423, полностью функционально аналогичных RS-232C, но совместимых с ТТЛ схемами. Разработан и получил широкое использование стандарт RS-499 (расширенный вариант RS-232C), обеспечивающий скорость передачи данных до 2 Мбайт/с.

На втором уровне реализуется протокол управления физиче­ским каналом обмена. Здесь в первую очередь решаются вопросы пересылки данных: как узнать, где они начинаются и кончаются;

как проверить правильность передачи? Протоколы обмена делятся на асинхронные, биториентированные и байториентированные.

Наиболее прост и получил широкое распространение старт-стопный механизм передачи — асинхронный, байт-ориентированный протокол. Информация передается посимвольно, между символами допускаются произвольные, но не меньше определенной длительно­сти, промежутки. Каждый символ представляется последователь­ностью бит, обрамленных стартовым и стоповым битами (рис. 4.10, а). Длительность передачи одного бита (удержания си­гнала соответствующего уровня на линии) заранее оговорена и дол­жна выдерживаться источником достаточно строго. В пассивном состоянии в линии поддерживается единичный уровень, начиная передачу, источник формирует следующую последовательность:

стартовый (нулевой) бит, пять — восемь бит кода символа, бит контроля по паритету (необязательно) и один, полтора или два сто­повых бита (единичных). Далее следует либо новый символ, либо пассивное единичное состояние.

Приемник воспринимает переход сигнала на линии из высокого уровня в низкий как начало стартового бита и символьной посылки в целом. Отсчитывая затем известное количество интервалов, при­емник может зафиксировать каждый бит символа. Обычно это делается под управлением встроенного в приемник генератора син­хроимпульсов, частота которого в 16 или 64 раза выше частоты пере­дачи бит. На рис. 4.10,6 показана синхронизация сигналом с 16-кратной частотой (16^х). Приняв переход входного сигнала из еди-цы в ноль, приемник отсчитывает 8 тактов синхросигнала Rx и про­веряет состояние входа. Если фиксируется ноль, то подтверждается стартовый бит. Если не ноль — то считается, что принята помеха и далее символьной комбинации нет. Обратите внимание, хотя Rx никак не синхронизирован со спадающим фронтом входного сигна­ла, отсчитав 8 тактов, определяется момент приблизительно равный середине стартового бита. Если стартовый бит подтвержден, отсчи­тывается 16 тактов и фиксируется состояние первого бита символа, затем еще 16 тактов — принимается второй бит и так далее. Несом­ненное достоинство такого механизма передачи — не требуется линий общей синхронизации приемника и передатчика, они рабо­тают полностью асинхронно. Но за это приходится расплачиваться снижением на 20 % скорости передачи, так как на 8 бит символа необходимо не менее 2 дополнительных бит.

Протокол BSC (Binary Synchronous Communication, BISYNC) фирмы IBM относится к синхронным, байториентированным про­токолам [1.4]. Для представления передаваемых символов допус­кается использование трех кодов: ASCII (American Standard Code for Information Interchange — 7 бит, совместим с принятым

в СССР кодом КОИ-7), EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code — 8 бит, совместим с принятым в СССР кодом ДКОИ) и 6-битовым кодом Transcode. Некоторые кодовые комбина­ции зарезервированы для специальных функций. Информация пере­дается в виде последовательности символьных кодов, образующих блок данных. Формат блока приведен на рис. 4.11, а. Он начинается двумя синхронизирующими символами, в качестве которых могут использоваться любые допустимые комбинации. Затем следует спе­циальный символ STX, указывающий на начало поля данных. Само поле данных может иметь произвольную длину, но должно завер­шаться специальным символом ЕТХ. Затем следуют два байта контрольного кода. Работа приемника и передатчика синхронизи­руется общим генератором тактовых импульсов, так что определе­ние моментов фиксации битового интервала реализуется достаточно просто. Если, например, источник формирует уровень бита по пе­реднему фронту синхросигнала, то приемник фиксирует бит по зад­нему фронту. Более сложно решается задача байтовой синхрониза­ции, для чего перед блоком источник передает два синхросимвола. В начале передачи приемник анализирует принимаемый код. Только когда код совпадает с оговоренным синхросимволом, приемник предполагает, что байтовая синхронизация выполнена и проверяет ее по второму синхросимволу. Если повторно получен синхро-символ, начинается прием блока данных.

Более современным являются протоколы HDLC (High Level Data Link Control), ADCCP ANSI (Advanced Data Communication Control Procedure) и SDLC (Synchronous Data Link Control) фирмы IBM, незначительно отличающиеся друг от друга. Все эти прото­колы биториентированные, синхронные. Блок сообщения (кадр» в терминологии протоколов) имеет следующий формат (рис. 4.11,б):

первым передается байт флага, затем два служебных байта (адреса и управления), далее поле данных переменной длины, контрольный 16-разрядный код it снова байт флага. Поле данных может содер­жать любые коды, тип кода не регламентируется. Для полной син­хронизации источника и приемника используется специальный байт флага, содержащий подряд шесть единичных бит. В протоколе не допускаются кодовые комбинации с шестью единицами, если это не флаг. Когда в кодовой последовательности поля данных появля­ются пять единичных бит подряд, то автоматически вставляется нулевой бит, который в приемнике также автоматически удаляется. Эта процедура получила название битстаффинга (bit stuffing), она поддерживает уникальность флаговой комбинации в потоке бит. Флаг предшествует передаче и завершает ее, им же заполняют интервалы между кадрами. Считается [1.4], что биториентированные протоколы по гибкости и простоте превосходят байториентирован-ные, легко применимы для дуплексного и полудуплексного ре­жимов.

Интерфейсы внешних запоминающих устройств. Сопряжение микроЭВМ с внешними ЗУ на магнитных дисках имеет существенные особенности, вызванные большими объемами передаваемой за один сеанс информации (128—512 байт), высокой скоростью передачи (0,5—5 Мбит/с) и сложными алгоритмами управления механизмов ЗУ (позиционирование головок, управление двигателем, секториро-вание). Поставляемые промышленностью устройства имеют упро­щенный встроенный контроллер, вход которого и представляет собой интерфейс ВЗУ (см. рис. 4.1). Первоначально каждая фирма использовала свой собственный интерфейс, но в конце 70-х гг. чаще стали применяться интерфейсы ST 506/ST412 и SMD, ставшие фактическими стандартами для дисковых ВЗУ. Основные характе­ристики интерфейсов приведены в табл. 4.9 [1.20, 2.10], Интерфейс

Таблица 4.9. Основные характеристики интерфейсов ВЗУ
Характеристика	Тип интерфейса
	SMI^1 SMI^2 ANSI ХЗ. 80—8982		ST506/ST412		ESDI^3	RDI^4 ANSI X3T9/122
Скорость передачи Расстояние (м) Количество сигналов Разъем/контактов	3 Мбайт/с 15 А: 30 В:9 А: 60 В: 26			5 Мбит/л А:16 B:3 А: 34 В: 20	3 Мбайт/с 15 А: 18 В:9 А: 34 В: 20	23
^1 SMD (Storage Modul Device) — устройство модульное запоминающее. ^2 SMI (Storage Module Interface) — интерфейс модульных ЗУ. ^3 ESDI (Enhanced Small Device Interface)—расширенный интерфейс малых устройств. ^1 RDI (Rigid Disk Interface)—интерфейс жестких дисковых накопителей.

ST506/ST412 ориентирован на ВЗУ со сменными гибкими и жестки­ми дисками диаметрами 5,25 и 8 дюймов при средних скоростях передачи. Используется в основном в бытовых и персональных мик­ро ЭВМ.

Более сложный интерфейс SMD поддерживает накопители Со сменными и фиксированными жесткими дисками диаметрами 5,25, 8 и 14 дюймов, находит применение в многопользовательских микроЭВМ и мини-ЭВМ. Расширенный интерфейс ESDI занимает среднее положение между ними, по скорости соперничая с SMD, а по сигналам практически совпадая с ST506/ST412.

В настоящее время широкое распространение в микропроцес­сорных системах получают «интеллигентные» интерфейсы периферий­ных устройств, обеспечивающие подключение к одному основному контроллеру (host adapter) нескольких ВЗУ и/или других перифе­рийных устройств. Идея такого интерфейса иллюстрируется на рис. 4.12. Фактически это некоторая унифицированная магистраль, к которой можно подключить различные устройства через группо­вые или встроенные контроллеры, т.е. это— локальная системная магистраль подсистемы ввода-вывода микроЭВМ. Основная цель разработки и внедрения такого рода «интеллигентных» интерфей­сов — сделать аппаратуру и программное обеспечение микроЭВМ совершенно независимыми от типа используемых периферийных устройств, обеспечив учет конкретных особенностей ВЗУ или УВВ групповыми или встроенными «интеллигентными» контроллерами. Характеристики интерфейсов приведены в табл. 4.10. По-видимому, наиболее перспективен интерфейс SCSI, допускающий несколько основных контроллеров, что дает возможность многим микроЭВМ совместно использовать периферийное оборудование и строить мультимикромашинные системы.

Таблица 4.10. Основные хараккрктяг сипе яякгеитных» периферийных интерфейсов
Характеристик»	Тыл интерфейса
	CSI/SASI^1	ISI^2	IPI^3(IPI-2)
Скорость передачи (Мбайт/с)	1,5; 4	3	6 (10)
Расстояние (м)	6; 25	15	3; 15; 125; (50)
Количество сигналов	18	24	24
Шина данных (биг)	8, двунаправ-ленная­	16, двуна-правленная	8+8
Разъем (контактов)	50	50
Количество подключаемых груп­повых контроллеров	8	8	8
Количество устройств, подклю­чаемых к групповому контрол­леру	8	8	16
^1 SCSI (Small Computer System Interface)—интерфейс малых вычислитель­ных систем.
^2 ISI (Intelligent Standard Interface)—«интеллигентный» стандартный ин­терфейс.
^3 IPI (Intelligent Peripheral Interface)—«интеллигентный» периферийный интерфейс.