Введение.

Организация ввода-вывода и обмена информацией в современных вычислительных системах (ВС) в значительной мере определяет ее производительность. Требования по скоростям обмена в них возрастают пропорционально требованиям по производительности. Наряду с процессорами ввода-вывода, важную роль в обеспечении высоких скоростей обмена, высокой пропускной способности играют интерфейсы. Поэтому правильный выбор комплекса интерфейсов для проектируемой ВС является важной задачей.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом используется большое число интерфейсов. Их многообразие объясняется желанием получить наилучшее сочетание характеристик ВС в части обмена информацией между ее элементами. Среди различных областей применения условно можно выделить несколько наиболее распространенных. Это, прежде всего микропроцессорные системы, измерительные системы, сети, управляющие системы и собственно ЭВМ. Подобное деление условно, тем более что по характеру используемой элементной базы все названные системы можно отнести к микропроцессорным. Различные области применения и, как следствие, различные требования к характеристикам определяют многообразие используемых интерфейсов. Ни один из них не решает общей задачи. Не дает оптимального сочетания характеристик для различных применений, поэтому для каждого конкретного применения выбирается или разрабатывается свой интерфейс, хотя характеристики многих из них близки по своим значениям.

Выбор комплекса интерфейсов производится исходя из анализа их характеристик, с одной стороны, и анализа требований к системе обмена информацией между элементами ВС, с другой стороны.

Интерфейс обеспечивает передачу потоков информации как между элементами локальной ВС (запоминающие устройства (ЗУ) - микропроцессоры (МП), МП-МП, ЗУ - устройства ввода-вывода и т.п.), так и между распределенными ВС, между ВС и удаленными абонентами. В большинстве ВС первых поколений решение этих задач осуществлялось одним, двумя интерфейсами, как правило, одним параллельным и одним последовательным интерфейсами. В настоящее время для развитых ВС такое решение не может удовлетворить всему комплексу требований ВС различного назначения по пропускной способности, массогабаритным характеристикам и др. В современных условиях в системах низкого уровня использование одного-двух универсальных интерфейсов может оказаться слишком дорогим. Такая постановка вопроса привела, с одной стороны, к многообразию используемых и проектируемых в мире интерфейсов и, с другой стороны, к разработке новейших технологий, обеспечивающих гибкое построение микропроцессорных систем широкого назначения.

Одним из основных направлений информационных технологий, определяющих эффективность информационно-вычислительных систем всех уровней и назначений, является технология открытых систем (ТОС). Эта технология обеспечивает взаимодействие систем, как на программном, так и на аппаратном уровнях. Взаимодействие достигается за счет использования международных стандартов на программные и аппаратные средства среди всех компонент систем.

Основным достоинством ТОС является сохранение ранее сделанных инвестиций. Экономическая эффективность от использования ТОС оценивается в миллиарды долларов. От применения ТОС выигрывают все категории специалистов, участвующих в процессе информатизации: пользователи, разработчики, производители.

Пользователя ТОС защищает от риска работы с одним производителем и предоставляет ему право выбора наиболее выгодного партнера.

Производители заинтересованы в расширении рынка сбыта и гарантируют себе защиту от капризов заказчика. Крупнейшие компьютерные компании (DEC, Hewlett Packard, IBM, Sun, Microsystems и другие) пришли к выводу, что выгоднее использовать ТОС, позволяющую работать в среде машин различных производителей, чем придерживаться собственных стандартов.

Для разработчиков ТОС увеличивает жизненный цикл их продукции, упрощает процедуру проектирования компонентов системы и расширяет число инвесторов.

Многие компании и ведомства, являющиеся потребителями информационных технологий, такие как Dupon, Duglas, Ford, General Electric, General Motors, крупнейшие банки, нефтяные компании , NASA, военно-воздушные силы, объединяются с компьютерными компаниями, создавая ассоциации, консорциумы и корпорации для развития открытых систем.

Открытая система - это система, реализующая спецификации на интерфейсы, службы и форматы, достаточные для того, чтобы обеспечить: возможность переноса (мобильность) прикладных систем с минимальными изменениями на широкий диапазон систем различного назначения. Она обеспечивает совместную работу с другими прикладными системами на локальных и удаленных платформах, взаимодействуя с пользователями на основе правил, облегчающих им переход от одной системы к другой [2].

Открытость характеризует глобальный процесс стандартизации аппаратных и программных средств, направленный на достижение совместимости и переносимости продуктов большого числа независимых поставщиков.

Расширению рынка открытых систем способствует отсутствие патентов или авторских прав на разработки, полученные в результате открытого обсуждения между крупнейшими экспертами ведущих мировых фирм и пользователей, отсутствие лицензионной платы за использование стандарта, доступность разработанных спецификаций и т.д.

Применение технологии открытых систем предполагает знание международных интерфейсов, позволяющих создавать программно-аппаратные средства, конфигурация которых определяется назначением проектируемой системы.

Наиболее развивающимся интерфейсом, который широко используется при проектировании открытых систем, в настоящее время является VMEbus. Его поддерживают многие профессиональные международные организации, среди которых выделяется VITA, объединяющая около 100 крупнейших мировых фирм. В их число входят:IBM, Motorola, Sun, Microsystems, DEC, Hewlett Packard, Tektronics и другие.

1. Принципы организации интерфейсов.

1.1 Общая характеристика интерфейсов.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных программно - аппаратных средств, обеспечивающих информационную, электрическую и конструктивную совместимость различных элементов (модулей) автоматизированных систем.

Аппаратная часть интерфейса состоит из линий - представляющих собой электрические цепи, обеспечивающие физические связи между модулями; шин - совокупности линий, объединенных по функциональному назначению; магистралей - совокупности шин; приемопередающих элементов; функциональных устройств, обеспечивающих обмен информацией по магистрали; устройств питания и диагностики.

Программная часть интерфейса обеспечивает логическое управление функциональными устройствами, организацию обмена по магистралям, контроль и диагностику состояния интерфейса. Логическую организацию определяет: структура и состав шин; способы кодирования и форматы команд, данных, адресной информации и информации состояния; правила обмена информации между модулями; способы передачи информации по магистралям; возможности мультипроцессорной обработки данных.

Под информационной совместимостью понимается согласованность взаимодействия модулей в соответствии с логической организацией системы. Условия информационной совместимости влияют на объем и сложность программно - аппаратных средств, а так же на основные технико-экономические показатели интерфейса и системы.

Под электрической совместимостью понимается согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов, обеспечивающих обмен информации по магистралям интерфейса. Условия электрической совместимости определяют: тип используемых элементов и их нагрузочные характеристики; параметры сигналов и пределы их изменения; особенности согласования линий и их длину; требования к источникам и цепям электрического питания; требования по помехоустойчивости. Условия электрической совместимости влияют на скорость обмена данными, допустимое число подключаемых устройств, их конфигурацию, расстояние между устройствами, помехозащищенность.

Конструктивная совместимость - согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков, устройств. Конструктивная совместимость определяет: типы соединительных элементов (разъем, штекер, распределение видов связи внутри соединительных элементов); конструкции платы, каркаса (крейта), стойки; конструкции кабельных соединений.

Основная масса интерфейсов реализуются на конструктивах Евромеханики EUROCARD по МЭК (IEC) 297-3, имеющих сетку допустимых размеров. Наиболее широкое распространение получили размеры ЗU(Е1) - 160х100мм, 6U(Е2) - 160х233,95мм, 9U(ЕЗ) - 160х366,7мм, с накладными разъемами С96 по МЭК (IEC) 603-2 (DIN 41612). Применение накладных разъемов обеспечивает легкость их замены в случае повреждения, независимость качества контактирования от толщины платы, совместимость модулей различных изготовителей, возможность применения многослойных и двухслойных печатных плат. Худшими характеристиками обладают разъемы, нанесенные на платы печатным способом. Например, в интерфейсах типа IBM PC, Q-bus, CAMAC и так далее.

Качество стандарта на интерфейс определяется возможностью его адаптации к различным по характеру задачам. Стандарт на интерфейс должен учитывать современные тенденции развития науки и технологий, максимально приближаться к идеологии открытых систем.

Все характеристики интерфейсов можно условно разделить на основные и дополнительные. К основным относятся пропускная способность, вместимость, виды адресации, число линий интерфейса, помехоустойчивость, надежность. К дополнительным характеристикам можно отнести эргономические, патентно-правовые и унификационные, а также стоимость.

Пропускная способность определяется временем установления и разъединения связи между обменивающимися информацией модулями и временем собственно передачи единицы информации, последнее зависит от числа информационных линий и тактовой частоты передачи информации. Чем большими массивами информации обмениваются между собой модули ВС, тем меньшую долю влияния на значение пропускной способности оказывает время установления и разъединения связи. В свою очередь время установления и разъединения определяется используемым алгоритмом управления, числом линий интерфейса и, в частности, управляющих линий, способом адресации, числом модулей (абонентов) подключенных к интерфейсу, алгоритмом приоритетного обслуживания модулей и арбитража.

Число информационных линий зависит, как правило, от типа используемых элементов ВС и, в частности, используемого МП. В некоторых интерфейсах для записи и чтения применяются раздельные информационные шины (однонаправленные линии). Однако, поскольку в большинстве случаев соответствующий модуль ВС одновременно не производит записи и чтения информации, стали использовать одни информационные шины для записи и чтения информации (двунаправленные линии). Все современные интерфейсы имеют двунаправленные информационные линии.

Тактовая частота непосредственно определяет пропускную способность интерфейса лишь для последовательных и синхронных параллельных интерфейсов. В асинхронных интерфейсах для оценки их пропускной способности правильнее использовать не тактовую частоту, а длительность цикла собственно передачи данных. Длительность цикла передачи данных зависит от тактовой частоты работы интерфейса и времени квитирования. Тактовая частота работы определяется физической реализацией интерфейса - длиной его линий, суммарной длиной отводов, видом линий (коаксиальный кабель, скрутка, волоконно-оптический кабель и т.д.), характером согласования линий и т.д. Так для последовательных интерфейсов, рассчитанных на передачу информации на большие расстояния (сотни тысяч метров), тактовая частота составляет единицы мегагерц. Типичный диапазон скорости передачи информации составляет от 5 Кбод до 1 Мбод при длине линии интерфейса 5 000 - 10 000 метров. В то же время, например, стандарты RS-422, RS-485, используя дифференциальную линию передачи, обеспечивают скорость 10 Мбит/с на расстояние до 1-2 км, а стандарт IEEE 802.3 - 10 Мбит/с на расстояние до 3 км. При этом структура интерфейса RS-422 допускает наличие в линии связи (витая пара) одного передатчика (П) и до десяти приемников (ПР), а структура интерфейса RS-485 - нескольких передатчиков и приемников. Максимальное число приемопередатчиков (ПП), подключаемых к линии, определяется их нагрузочными способностями, так при работе одного передатчика на линию с согласующим резистором R_С = 60 Ом может быть подключено до 32 единичных нагрузок. Под единичной нагрузкой понимается в данном случае схема, потребляющая ток 1 мА, без учета согласующих резисторов.

Передающая линия, обладая реактивным сопротивлением, вносит сильное ослабление сигнала и увеличивает его фазовую задержку, усиливающую влияние шумов на полезный сигнал на входе приемника, что ограничивает дальность передачи информации и тактовую частоту. Ослабление сигнала полностью исключить нельзя. Но повышение его амплитуды на выходе передатчика позволяет увеличить длину линий интерфейса. Современная технология позволяет изготавливать микросхемы усилителя с напряжением питания до 40 В. Кроме того, для ослабления влияния шумов линии связи экранируются или используется волоконно-оптический кабель.

Для передачи информации в интерфейсах применяют различные способы синхронизации. Существуют синхронные и асинхронные интерфейсы, при этом преобладающее преимущество одного типа над другим пока не установлено. На сегодняшний день одинаково широко используются синхронные (Multibus II, Fastbus, Nubus) и асинхронные интерфейсы (VMEbus, Futurebus). При синхронном принципе передачи информации (рис.1) передающее устройство устанавливает на своих выходах одно из двух возможных состояний дискретного сигнала (0 или 1) и поддерживает его в течение определённого заранее выбранного периода времени после окончания, которого состояние сигнала на передающей стороне может быть изменено.

Ш₀

1 1