Интерф периф устр лекции (Ответы на все вопросы по теме электроника или типа того), страница 3

Увеличение вместимости снижает пропускную способность и надежность интерфейса. Увеличение числа подключенных к интерфейсу устройств приводит к увеличению суммарной длины линий интерфейса и к большему времени ожидания обслуживания. Передача адреса в информационном массиве также приводит к задержке передачи информации. Увеличение числа участвующих в обмене устройств, усложнение алгоритма их взаимодействия естественно снижает надежность системы.

Используемые виды адресации, разрядность адресных шин являются важнейшими характеристиками, во многом определяющими возможности интерфейсных систем. Выбор разрядности определяется объемами запоминающих устройств, числом подключаемых к магистрали или адресуемых абонентов, внешних устройств (ВнУ) и регистров. Максимальная разрядность адреса - 32, практически у всех современных интерфейсов микропроцессорных систем.

Используется в основном два вида адресации - географическая и логическая, что объясняется наличием всего двух структур интерфейсов - радиальной и магистральной.

Географическая адресация определяет место модуля в блоке. Если используется централизованный принцип управления, как это имеет место в интерфейсе САМАС, то от ведущего (главного) модуля к каждому из остальных модулей данного блока подключается провод географической адресации (радиальное подключение). Если же используется децентрализованный принцип управления, как это имеет место, например, в интерфейсе Multibus II, то к магистрали географической адресации подключаются одновременно все модули данного блока. При радиальной структуре доступ к регистрам ввода-вывода осуществляется с помощью специальных команд ввода-вывода, в формате которых указывается номер аккумулятора или РОН, где хранятся передаваемые данные или куда их необходимо принять, и номер порта, с которым производится обмен.

В интерфейсных системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин используются коллективные шины, к которым подсоединяются все устройства и арбитр. Для магистрали характерно, что все сигналы, возникающие в шинах, в принципе доступны всем подключённым к интерфейсу устройствам. Однако, в каждый момент времени только одно устройство может быть логически связано с магистралью.

Адресные линии интерфейса могут быть как автономными, так и совмещенными с информационными линиями. Совмещение, т. е. мультиплексирование линий адреса и информации существенно сокращает суммарное число линий интерфейса, что облегчает выбор разъемного соединителя, корпуса микросхем, сокращает число соединителей в системе. С другой стороны, снижается пропускная способность интерфейса, поскольку адреса и информация передаются последовательно. Снижение пропускной способности будет тем больше, чем меньше массивы информации, передаваемые между элементами системы. Следовательно, исходя из требований достижения максимальной пропускной способности интерфейсных систем мультиплексирование линий адреса и информации возможно в тех интерфейсах, где используется преимущественно пакетный способ передачи.

Автономные линии адреса целесообразно применять в интерфейсах, по которым передается информация отдельными словами или группой слов (в частности, передача командной информации). Для интерфейсов с раздельными шинами характерны высокая пропускная способность, меньшие аппаратные затраты в интерфейсной части модулей системы. При многопроцессорной организации и большом количестве одиночных передач (передач одного байта или слова) ориентировочный выигрыш по производительности составляет около 30% по сравнению с мультиплексируемыми шинами. При блочных передачах (передаче цепочки данных) этот, выигрыш меньше. Дополнительного увеличения производительности в интерфейсах с раздельными шинами можно достичь, используя конвейерный принцип передачи данных, при котором во время текущего цикла передачи данных устанавливается адрес следующего цикла передачи.

Следует отметить, что даже в одном микропроцессорном комплексе могут использоваться интерфейсы, как с автономными, так и с совмещенными адресными линиями.

Важной характеристикой интерфейса является объем реализуемых интерфейсных функций и число алгоритмов обмена (режимов работы). К основным интерфейсным функциям можно отнести:

• характер подключения и число подключаемых к интерфейсу ВнУ;

• характер взаимодействия устройств, подключенных к интерфейсу (возможность общения ВнУ не только с центральным контроллером, но и между собой и т.д.);

• контролируемость собственно интерфейса (контроль передачи информации, квитирование, идентификация и др.);

• доступность ВнУ для контроля;

• используемый алгоритм решения конфликтных ситуаций.

  Как правило, чем больше вспомогательных линий интерфейса (управляющих, идентификации, географической адресации и т.д.), тем легче без видимой потери пропускной способности реализовать больший объем интерфейсных функций. Однако это можно сделать и при минимальном числе линий интерфейса, что приводит к снижению пропускной способности.

  Управление интерфейсами осуществляется централизованно, децентрализовано или используется комбинация этих двух способов. Интерфейсы с централизованным (сосредоточенным) управлением имеют некоторое центральное устройство (контроллер, микро-ЭВМ и т.д.), которое полностью управляет всей работой интерфейса. При этом возможно функционирование, как по инициативе ЭВМ, так и по инициативе ВнУ, возможен обмен информацией между любыми ВнУ, подключенными к интерфейсу, но организацию этих режимов работы осуществляет центральное устройство. Оно же обеспечивает арбитраж, синхронизацию обмена, контроль над временем цикла и реализацию других общих функций.

  При распределенном (децентрализованном) управлении к магистрали интерфейса подключено несколько устройств, имеющих возможность брать на себя управление интерфейсом (например, ГОСТ 26.003-80). Здесь арбитр распределен между элементами системы, возможность арбитража заложена в алгоритме функционирования интерфейса. Право пользоваться линиями интерфейса в данный момент получает высший по приоритету контроллер (устройство-задатчик, активный абонент и т.д.), если таковых несколько подключено к интерфейсу. Далее этим контроллером может быть организован обмен между двумя ВнУ, подключенными к интерфейсу, при этом настройка системы производится не только с помощью управляющих слов (командных и ответных), но и с использованием специальных управляющих линий, что снижает суммарное время, затрачиваемое на установление связи.

  Как уже отмечалось выше, в ряде случаев при децентрализованном управлении интерфейсом используются и элементы централизованного управления, например, в системной магистрали Multibus II имеется центральный сервисный модуль, который осуществляет централизованный контроль питания, времени цикла и другие функции. Использование централизованного управления существенно снижает надежность, так как появление неисправности в центральном блоке приводит к выходу из строя всей системы. В интерфейсных системах второго поколения в основном используется децентрализованная структура управления.

  Для увеличения пропускной способности интерфейса, гибкости в части реализуемых им функций, расширения областей использования целесообразно иметь в его составе большее число линий управления, линии географической адресации, автономные линии для передачи кода адреса, вспомогательные линии (питания, земли, контроля питания и стыковки и т.д.), резервные линии. Однако произвольное увеличение числа линий интерфейса не допустимо. Число линий интерфейса ограничивается рядом факторов, в первую очередь ограниченным числом выводов микросхем, числом контактов разъемных соединителей, используемых в платах, блоках. Учитывая это, стандарты на современные интерфейсы микропроцессорных систем должны описывать:

• сущность алгоритма функционирования интерфейса; его логическую структуру (протокол режимов работы);

• виды кодов, используемых для передачи информации по линиям интерфейса;

• порядок расположения информации на линиях интерфейса (место расположения старших и младших разрядов);

• электрические параметры сигналов в линиях интерфейса;

• физическую природу применяемой системы связей;

• значение пропускной способности или частоту синхронизации;

• способы арбитража;

• виды адресации;

• длину собственно линий интерфейса и отводов от них;

• характер временных соотношений между сигналами в интерфейсе;

• перечень допусков на все сигналы и другие элементы интерфейса;

• размеры блоков, плат, тип механического и электрического соединения и интерфейса с аппаратурой системы, привязку линий интерфейса к контактам соединителя.

  Часто интерфейс ориентирован на определенную микропроцессорную серию.

  Помехоустойчивость интерфейсов обеспечивается различными средствами. К основным из них относятся:

• увеличение амплитуды сигналов;

• использование специальных кодов;

• защита линий интерфейса.

  Для внутри блочных и внутри платных интерфейсов, как правило, амплитуда и вид сигнала, передаваемого по линиям интерфейса, соответствуют сигналам используемой серии микросхем (ЭСЛ, ТТЛ и т.п.). Линии интерфейса физически выполняются в виде печатных или скрученных проводников (сигнальный и один-два нулевых проводника), помещенных в экран или без него. Для интерфейсов, предназначенных для связи распределенных или удаленных на большие расстояния блоков, увеличивают амплитуду передаваемых по линиям сигналов, используют специальные двуполярные коды (R-Z, Манчестер и др.), используют экранированные скрученные проводники, коаксиальные кабели, волоконно-оптические линии связи. Планируется в качестве усилителей - передатчиков использование микросхем из тонкопленочного высокотемпературного сверхпроводника с составом натрий-барий-медь-кислород в линиях интерфейса, что обеспечит достижение скорости передачи информации 10¹² бит/с. Это на два порядка выше, чем в волоконно-оптических кабелях. Из вспомогательных средств наиболее широко используются трансформаторная и оптронная развязка линий интерфейса от передающих и принимающих схем и согласование линий интерфейса с одной или двух сторон.

  Надежность интерфейса фактически является производной от его характеристик - способа управления, помехозащищенности, а также определяется надежностью входящих в интерфейс элементов: усилителей приемников и передатчиков; собственно линий интерфейса; разъемных соединителей; схем управления интерфейсом; других элементов.

  1.2. Магистраль информационного канала.

  Условно каждый интерфейс можно разделить на две магистрали: магистраль информационного канала и магистраль управления информационным каналом.

  В состав магистрали информационного канала входят шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина команд (ШК) и шина состояний (ШС).

  Шина данных определяет скорость передачи информации. Максимальная скорость будет в том случае, если разрядность передаваемых данных n_д. соответствует разрядности шины n_ш. Если n_д > n_ш, то используется параллельно-последовательная передача, что снижает скорость обмена. При n_д < n_ш снижается эффективность работы шины, а в некоторых случаях и быстродействие (не выровненные пересылки). Поэтому в современных интерфейсах ШД содержит идентификаторы передаваемых данных (1, 2, 4, 8 байт). Повышение достоверности данных обеспечивается битом паритета, который сопровождает каждый передаваемый байт. Разрядность ШД, как правило, кратно байту (8, 16, 24, 32, 64 разряда). Это позволяет работать с микропроцессорами различной разрядности.

  Шина адреса (ША) определяет максимальный объем адресуемой памяти и допустимое количество устройств ввода-вывода (УВВ) или модулей, присоединяемых к магистрали.

  При использовании раздельного обращения к памяти и УВВ максимальный объем памяти равен 2^Na, где N_a - разрядность ША, а допустимое число УВВ определяется системой команд используемого в данном интерфейсе микропроцессора. Например, в Intel 8080 число УВВ не более-256, в Intel 8086/8088 65536 при косвенной адресации и 256 при прямой адресации. В этом случае ША содержит отдельные линии чтения/записи памяти и УВВ.

  Если обращение к УВВ осуществляется как к ячейкам памяти, то разрядность ША определяет суммарный объем памяти и УВВ. Более предпочтительны общие шины адреса, так как они обеспечивают большие операционные возможности при обращении к УВВ. При этом уменьшается число линий ША, но в некоторых случаях усложняется схема дешифратора адреса.

  В интерфейсах с модульной организацией наиболее часто используется логическая адресация. Каждому модулю или программно доступному элементу модуля присваивается уникальный двоичный код, передаваемый по ША в процедуре обмена информации (выборки модуля). Этот код определяется на этапе проектирования системы и формируется при изготовлении модуля, например, путем соответствующей распайки дешифратора адреса или установки переключателей. Модуль устанавливается в любое свободное место объединительной панели (крейта) интерфейса. Выборка модуля возможна при совпадении адреса, передаваемого по ША и установленного в модуле.

  При географической адресации предполагается индивидуальная линия выборки для каждого модуля. Адрес определяется местом, которое он занимает в крейте. Это исключает предварительную адресацию модулей на стадии его изготовления, что способствует упрощению аппаратной части. Однако число индивидуальных линий выборки определяется количеством модулей интерфейса.

  При логической адресации для адресации n модулей требуется Log2n линий, а при географической - n. Сочетание географической и логической адресации позволяет обеспечить программируемую конфигурацию системы.