46379 (Интерфейсы)

Общие сведения об интерфейсах

Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в один комплекс различных блоков ВМ, устройств хранения и отображения информации, аппаратуры данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения – интерфейсы. Под интерфейсом понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов вычислительной системы. Интерфейс обеспечивает взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы.

Основным назначением интерфейса является унификация внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации прогрессивных методов проектирования функциональных элементов вычислительной системы.

Классификация интерфейсов:

Машинные интерфейсы предназначены для организации связей между составными элементами ЭВМ, т. е. непосредственно для их построения и связи с внешней средой.

Интерфейсы периферийного оборудования выполняют функции сопряжения процессоров, контроллеров, запоминающих устройств и аппаратурой передачи данных.

Интерфейсы мультипроцессорных систем представляют собой в основном магистральные системы сопряжения, ориентированные в единый комплекс нескольких процессоров, модулей памяти, контроллеров запоминающих устройств, ограничено размещенных в пространстве.

Интерфейсы распределенных ВС предназначены для интеграции средств обработки информации, размещенные на значительном расстоянии.

Развитие интерфейсов осуществляется в направлении повышении уровня унификации интерфейсного оборудования и стандартизации условий совместимости, модернизации существующих интерфейсов, создания принципиально новых интерфейсов.

История создания интерфейса SCSI

Интерфейс SCSI уходит своими корнями в начало 1960-х годов. В то время в широко распространенных больших машинах корпорации IBM применялась байтовая параллельная шина В/В, называемая блок мультиплексным каналом и ориентированная на блочные передачи. Осознавая необходимость стандартизации интерфейсов, комитет X3T9. 3 Американского национального института стандартов (ANSI) в начале 1980-х годов приступил к разработке подобного стандарта. Несмотря на широкую популярность блок-мультиплексного канала корпорации IBM, комитет решил не принимать его в неизменном виде - отчасти, быть может, потому, что “это не наше”, а отчасти под давлением конкурентов компании IBM. Стандарт, который разрабатывал ANSI, получил название интеллектуального периферийного интерфейса(IPI). Шина IPI представляла собой по существу функциональный эквивалент блок-мультиплексного канала с добавлением некоторых новых свойств. В качестве альтернативы блок-мультиплексному каналу корпорации IBM другие группы специалистов в то время разрабатывали собственные параллельные шины В/В.

Так фирма Shugart Associates разработала Системный интерфейс SASI (Shugart Associates System Interface). Эта фирма была одним из ведущих производителей дисковых накопителей, под влиянием чего ряд других изготовителей также применил этот интерфейс в своих изделиях. В результате интерфейс SASI получил относительно широкое распространение. Компания Shugart была исключительно заинтересована в том, чтобы комитет принял ее интерфейсную шину, а не шину IPI. Когда выяснилось, что интерфейс SASI может проиграть в этой борьбе, компания присвоила ему новое наименование SCSI и представила в комитет X3T9. 2, который заинтересовался проблемами интерфейсов нижнего уровня, где конкуренция была менее жесткой.

В 1984 г. комитет ANSI закончил разработку спецификацииSCSI-1, и она была опубликована в своем окончательном виде в 1986 г. Последующие дополнения и усовершенствования привели к созданию спецификации SCSI-2.

Концепция SCSI.

Шина SCSI – это шина ввода-вывода, а не системная шина и не интерфейс приборного уровня. Интерфейсные средства типа шины SCSI особенно эффективны для машин, которые требуют подключения нескольких дисковых накопителей или других ПУ. Интерфейс SCSI повышает гибкость и вычислительную мощность системы, поскольку он позволяет подключить к одной шине несколько различных ПУ, которые могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. Скорость передачи данных по шине безусловно не будет ограничивающим фактором, поскольку этот показатель для шины SCSI в настоящее время достигает 40Мбайт/с.

Шина SCSI предусматривает возможность подключения до восьми устройств. На первый взгляд это может показаться довольно серьезным ограничением, однако, если учесть, что каждое устройство может представлять

восемь логических блоков, а каждый логический блок – 256 логических подблоков, то очевидно, что возможности расширения здесь более чем предостаточные.

Каждому из устройств шины SCSI должен быть назначен индивидуальный идентификатор ID, значение которого обычно задается при помощи коммутационных перемычек непосредственно в устройстве. Идентификатор ID выполняет две функции : он идентифицирует устройство на шине и определяет его приоритет в арбитраже за доступ к шине (чем больше номер устройства, тем выше его приоритет).

Каждое из восьми возможных устройств шины может играть роль инициатора (initiator), исполнителя (target), либо совмещать обе эти роли. Инициатор – это часть хост (главного) адаптера SCSI, который служит для подключения главного компьютера к шине SCSI. В типичной системе к одному инициатору подключается один или несколько исполнителей. Система повышенной сложности может содержать более одного хост- адаптера SCSI(много инициаторов). В таких системах могут устанавливаться взаимодействие не только любого процессора с любым ПУ, но также хост - адаптеров друг с другом, поскольку хост – адаптер сам является устройством шины SCSI и может играть роль как инициатора, так и исполнителя. Два ПУ(оба исполнителя), однако, не могут взаимодействовать друг с другом, поскольку только пара инициатор – исполнитель может вести обмен данными по шине в каждый конкретный момент времени.

Хост – адаптер содержит аппаратные и программные средства для сопряжения с ЦП.

Интерфейс контроллера SCSI и системной шины может быть как совсем простым (строится по принципу программного опроса канала В/В), так и более сложным (предусматривающим высокоскоростные обмены данными в режиме прямого доступа к памяти, ПДП). Такие контроллеры воспринимают высокоуровневые команды и освобождают ЦП от необходимости обработки и контроля сигналов шины SCSI.

Программное обеспечение главного компьютера упрощается, поскольку ему не приходится учитывать физические характеристики конкретного устройства. Интерфейс SCSI предусматривает использование логических, а не физических адресов для всех блоков данных.

Фазы работы шины SCSI.

Протокол шины SCSI предусматривает восемь отдельных фаз :

Bus Free – “Шина свободна”

Arbitration – “Арбитраж”

Selection – “Выборка”

Reselection – “Обратная выборка”

Command – “Команда”

Data – “Данные”

Status – “Состояние ”

Message – “Сообщение”

Последние четыре фазы называются фазами передачи информации. Шина SCSI в каждый конкретный момент времени может находится только в одной из этих восьми фаз.

Фаза “Шина свободна” означает, что ни одно устройство в данный момент не работает с шиной SCSI в активном режиме, и шина свободна для обращения. Эта фаза обычно возникает после системного сброса или после сброса шины сигналом RST. Признаком фазы “Шина свободна” является отсутствие сигналов занятости BSY и выборки SEL.

Шина переключается в фазу – “Арбитраж”, когда какое – либо SCSI- устройство хочет взять на себя управление шиной, т. е стать инициатором на шине. Это происходит в случаях, когда инициатор хочет выбрать исполнителя или исполнитель хочет произвести перевыборку запрашивавшего его ранее инициатора. В фазу “Арбитраж” шина может переключится только из фазы “Шина свободна”. После того, как устройство определяет, что шина свободна, начинается фаза “Арбитраж”. Для этого формируется сигнал BSY, на соответствующую линию данных

выдается идентификатор ID SCSI – устройства( ID – бит). При этом каждое

из восьми возможных устройств шины SCSI может выдавать свой ID - бит

только на закрепленную за ним линию данных как признак своего участия

в арбитраже. Устройство с максимальным значением идентификатора ID выигрывает арбитраж и берет на себя управление шиной.

Фаза “Выборка” дает возможность инициатору выбрать исполнителя, чтобы инициировать выполнение им соответствующей функции, например команды чтения READ или записи READ. Согласно протоколу спецификации SCSI-2 фаза “Выборка” всегда наступает после фазы “Арбитраж”. В спецификации SCSI-1 предусматривается вариант системы с одним инициатором, где необходимость арбитража отсутствует, и в фазу выборки можно входить сразу же после фазы “Шина свободна”. В обоих случаях для выборки исполнителя инициатор выдает его ID-бит на соответствующую линию данных шины SCSI и формирует сигнал выборки SEL.

Необязательная фаза перевыборка возможна, когда исполнитель хочет восстановить связь с тем инициатором, который ранее послал ему команду. Эта фаза в принципе напоминает фазу “Выборка”, с тем исключением, что вместе с сигналом выборки SEL переходит в активное состояние линия I/O, что позволяет различать эти две фазы.

Фазы “Команда”, “Данные”, “Состояние ” и “Сообщение” образуют группу фаз передачи информации, поскольку все они используются для передачи данных или управляющей информации по шине данных. Чтобы их различать, используются сигналы C/D – управление, I/O – ввод-вывод и MSG – сообщение, вырабатываемые исполнителями, который тем самым управляет всеми переходами из одной фазы в другую. Для управления передачей данных между исполнителем и инициатором в фазах передачи информации используются сигналы линий

REQ/ACK – запрос/подтверждение (в версии SCSI-2 дополнительно применяются линии REQB/ACKB).

Реальный обмен данными может осуществляться синхронным и асинхронным способом. В обоих случаях для выполнения квитирования используются сигнальные линии ACK и REQ. Для исполнителя режим синхронной передачи является необязательным. Инициатор может потребовать, чтобы исполнитель осуществлял синхронную передачу, однако если последний отвергнет этот запрос, то будет использоваться асинхронный режим.

Чтобы передать данные инициатору в асинхронном режиме, исполнитель выдает их на линии данных шины SCSI вместе с сигналом REQ. Данные должны удерживаться на шине до тех пор, пока от инициатора не будет принят сигнал подтверждения ACK. После этого на шину выдаются следующие данные, и процесс повторяется. Если передача данных должна происходить в противоположном направлении, исполнитель выдает сигнал запроса REQ, говорящий о том, что он готов к приему данных. Инициатор выдает данные на линию данных шины SCSI, а за тем формирует сигнал ACK. Инициатор продолжает удерживать данные на шине до тех пор, пока иния REQ, не переключится в пассивное состояние. Затем исполнитель сбрасывает сигнал REQ, инициатор выдает новые данные, и процесс повторяется.

Если в фазе “Сообщения” устройства согласились использовать синхронный режим обмена, то исполнитель не будет ждать поступления сигнала подтверждения ACK перед выдачей сигнала REQ для приема следующих данных. Он может генерировать один или более импульсов REQ без ожидания соответствующих импульсов ACK(до заранее оговоренного максимума, называемого смещением REQ/ACK).

При выдаче всех запланированных импульсов REQ исполнитель сравнивает число запросов REQ и подтверждений ACK, чтобы удостовериться в том, что каждая группа данных принята успешно. При подготовке синхронного режима обмена устройства задают смещение REQ/ACK и период передачи. Период передачи определяет интервал времени между окончанием передачи очередного байта и началом передачи следующего.

Дополнительные средства спецификации SCSI-2

Хотя исходная спецификация SCSI, опубликованная в 1986г. (SCSI-1), представляла большой шаг вперед, у нее были и некоторые серьезные недостатки. В частности не бало четкой регламентации всех аспектов, гарантирующих совместимость между устройствами были ссылки на целый ряд различных команд, однако в действительности она требовала обязательной реализации только одной команды REQUEST SENSE (“уточнить состояние”). В результате различные устройства поддерживали различные команды, что существенно ограничивало число контроллеров, которые могли бы работать в любой SCSI- системе. Специалисты осознали это ограничение уже на завершающем этапе выработки спецификации SCSI-1, поэтому была создана группа по разработке единого набора команд (CCS), которая должна была решить данную проблему, предложив расширенный набор команд SCSI. Набор команд был расширен с тем, чтобы устройство могло посылать и принимать более детальную информацию. Подмножество всех возможных команд было выбрано таким образом, чтобы его могли без особого труда реализовать изготовители ПУ. Ограничение числа команд, на которые должно реагировать SCSI -устройство, увеличивает вероятность того, что все эти команды будут реализованы. Хотя документ CCS включен в спецификацию SCSI-1, он был опубликован, и его принципы были рекомендованы как стандарт де-факто, которому должны следовать изготовители устройств с интерфейсом SCSI. Благодаря этому уменьшился уровень несовместимости SCSI-устройств, не позволяющий использовать готовые ПУ в системе без дополнительных доработок.

Принципы SCSI были включены в спецификацию SCSI-2, где команды делятся на три категории : обязательные, факультативные и определяемые изготовителем. SCSI -устройства должны поддерживать как минимум, все обязательные команды устройств своего типа. В спецификации SCSI -2 были описаны команды для ПУ непосредственного доступа(дисковых накопителей), последовательного доступа(НМЛ), принтеров, процессоров, устройств памяти с однократной записью(оптических дисковых накопителей), ПЗУ на базе компакт-дисков, сканеров, устройств оптической памяти, устройств с автоматической сменой носителя и коммуникационных устройств.

В спецификацию SCSI -2 была включена также еще одна концепция, предложенная в документе CCS, а именно - концепция обратной выборки, или перевыборки. Согласно протоколу SCSI –1, если инициатор посылает команду исполнителю, он будет занимать шину до тех пор, пока исполнитель не завершит выполнение этой команды. Когда исполнитель выполнит команду, он через механизм арбитража потребует доступа к шине с целью перевыборки инициатора, который выдал ему эту команду. Операция завершается передачей исполнителем соответствующих данных и статуса. Таким образом инициатору не приходится ждать, пока исполнитель закончит текущую команду, и он может в принципе посылать команды другим исполнителям с целью их параллельного выполнения.

Это может быть полезно для системы, содержащей более одного исполнителя, однако чаще бывает необходимо послать следующую команду тому же самому исполнителю. Спецификация SCSI-1 предусматривает передачу только одной команды от инициатора логическому устройству SCSI-контроллера исполнителя. При работе с дисковыми накопителями такой режим может быть весьма неэффективным. Предположим, например, что у ЦП имеются четыре отдельных запроса от операционной системы на чтение секторов диска, размещающихся на дорожках 1, 50, 2 и 52. Поскольку ЦП работает c устройствами шины SCSI в терминах логических блоков данных, он не имеет представления о том, где( или каким образом) эти данные хранятся в устройстве), и, следовательно, не в состоянии оптимизировать последовательность команд перед их выдачей в SCSI- устройство. Такая возможность, называемая формированием очереди или цепочки команд, предусмотрена в спецификации SCSI-2( в очередь могут быть установлены до 256 команд).

Чтобы устройство могло одновременно следить за несколькими командами, ждущими выполнения, каждой команде присваивается тег очереди, определяющий однозначный механизм обращения к ней. Когда устройство выбрано на шине SCSI и передано сообщение идентификации