6

тема: ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ ЭВМ

Вопросы:

1. Способы организации совместной работы периферийных и центральных устройств

2. Последовательный и параллельный интерфейсы ввода-вывода

Литература:

1 вопрос: [1] стр. 150…152;

2 вопрос: [1] стр. 153…156;

1.Способы организации работы периферийных и центральных устройств ЭВМ

В общем случае для организации и проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные средства:

• специальные управляющие сигналы и их последовательности;

• устройства сопряжения,

• линии связи;

• программы, реализующие обмен.

Весь этот комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, алгоритмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсом.

В зависимости от типа соединяемых устройств различаются:

• внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ;

• интерфейс ввода-вывода - для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.);

• интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) - для сопряжения различных ЭВМ (например, при образовании вычислительных сетей);

• интерфейсы «человек - машина» - для обмена информацией между человеком и ЭВМ.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального аппаратного комплекса (рис. 10.1).

Рис10.1

В зависимости от используемых при обмене программно-технических средств интерфейсы ввода-вывода делятся на два уровня: физический и логический (рис. 10.2).

Рис.10.2

Особое место занимает человеко-машинный интерфейс, реализующий специфические методы организации общения. Например, церемониал человеко-машинного общения предусматривает «дружественность пользователю», которая может обеспечиваться техническими средствами, программами и технологией общения.

Связь ЭВМ и внешнего устройства или двух ЭВМ друг с другом может быть организована в трех режимах: симплексном, полудуплексном и дуплексном.

В симплексном режиме передача данных может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает.

Полудуплексный режим позволяет выполнять поочередный обмен данными в обоих направлениях. В каждый момент времени передача может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает. И пока передача не закончилась, принимающий ничего не может сообщить передающему. Заканчивая передачу, передающая ЭВМ пересылает принимающей специальный сигнал «перехожу на прием» (или просто «прием» - как будет выглядеть этот сигнал, должны «договориться» между собой коммуникационные программы. Этот сигнал должен быть им обоим известен, т.е. сигнал окончания связи должен выглядеть одинаково у обеих ЭВМ, находящихся на связи). Затем они могут поменяться ролями. Этот режим является самым простым. Если во время передачи в принимающей ЭВМ возникла нештатная ситуация (появилась ошибка в передаваемых данных, коммуникационная программа не успела обработать принятый байт до поступления следующего, при распечатке принимаемых данных одновременно с приемом замяло бумагу в принтере и др.), то принимающая ЭВМ не способна сообщить об этом передающей до появления сигнала окончания передачи. Вся информация, передаваемая после появления нештатной ситуации, теряется. После устранения неполадок передачу приходится повторять. Поэтому при обмене большими объемами информации приходится все передаваемые данные делить на блоки и контролировать прохождение каждого блока. Общее время обмена информацией при этом возрастает.

Дуплексный режим позволяет вести передачу и прием одновременно в двух встречных направлениях.

В симплексном режиме может быть осуществлена связь, например, между ЭВМ и принтером, клавиатурой и ЭВМ или ЭВМ и дисплеем, а также между двумя ЭВМ, находящимися всегда в односторонней связи. Для организации симплексного режима необходимо, чтобы передатчик одной ЭВМ был связан с приемником другой ЭВМ двухпроводной линией связи.

Для организации полудуплексного режима можно применить либо специальное коммутационное устройство у каждой ЭВМ, переключающее линию связи с выхода передатчика на вход приемника и обратно, либо линию связи с большим количеством проводов (например, трехпроходную, в которой один провод связывает передатчик первой ЭВМ с приемником второй, другой провод связывает приемник первой ЭВМ с передатчиком второй, а третий является общим проводом и называется «информационная земля» ).

Для организации дуплексного режима необходимо, чтобы аппаратные средства (в состав которых входит и канал связи) обеспечивали возможность одновременной передачи информации во встречных направлениях. Например, дуплексный режим может быть реализован при связи ЭВМ с принтером, если дополнительно к информационной связи канал обеспечивает передачу управляющего сигнала готовности принтера (сигнал DSR).

Сопряжение ЭВМ с каналом связи осуществляется с помощью последовательного (RS-232) или параллельного (Centronics) интерфейсов, каждый из которых может обеспечить работу сопрягаемых устройств в любом из рассмотренных режимов - все зависит от типа используемого канала связи и технологии его использования.

Способ, с помощью которого интерфейс обеспечивает связь в заданном режиме, называется протоколом.

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола – аппаратный и программный.

Иногда управление потоком путают с квитированием, но это разные методы достижения одной цели – согласование темпа (скорости) передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента (квитанции), в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о невозможности последующего приема данных.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (Hardware Flow Control) используется для синхронного обмена информацией. Для организации обмена данными используется сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему. Работу этого протокола показана на рис. 10.3.

Рис.10.3

Передатчик «выпускает» очередной байт только при включенном состоянии линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую высокую реакцию передатчика на состояние приемника.

Аппаратный протокол удобно использовать при подключении внешних устройств, если они поддерживают этот режим. При непосредственном соединении (без модемов) двух ЭВМ аппаратный протокол требует перекрестного соединения линий RTS – CTS.

Программный протокол управления потоком XON/XOFF, реализует асинхронный обмен данными и предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает он следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым оно не может их дальше принимать, оно по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Далее, когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ XON (11h), приняв который противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на изменение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается, по крайней мере, на время передачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис.10.4).

Рис.10.4

Из этого следует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых данных и сигнализирующим о неготовности заблаговременно (имея в буфере свободное место).

Преимущество программного протокола при непосредственном соединении устройств заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса – минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только три провода. Недостатком, кроме требования наличия буфера и большего времени реакции (снижающего и общую производительность канала из-за ожидания прохождения сигнала XON), является сложность реализации полудуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограничивает набор передаваемых символов.

Для взаимодействия со сложными внешними устройствами могут предусматриваться и дополнительные сигналы, например, для модема протокол RTS/CTS содержит сигналы: DCD (Data Carrier Detected) - «Есть несущая частота» и RI (Ring Indicator) - «Индикатор звонка», информирующий ЭВМ, что по телефонной линии, подключенной к модему, поступили сигналы вызова (звонка), т.е. электрические сигналы, параметры которых отличаются от несущей.

3.Последовательный и параллельный интерфейсы ввода-вывода

В состав микропроцессорного комплекта входит большая интегральная схема УСАПП (универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик) или схема UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), предназначенная для реализации интерфейса типа RS-232 (V24).

УСАПП является программируемой микросхемой, преобразующей параллельный код, получаемый от шины данных системной магистрали, в последовательный для передачи по двухпроводной линии связи. В качестве УСАПП используются БИС i8250, il6450, П6550А и др. Функции, выполняемые этими микросхемами, одинаковы. Различия заключаются в обеспечиваемом ими быстродействии.

Типовая структурная схема УСАПП приведена на рис. 10.5.

Рис.10.5

От микропроцессора передаваемый байт данных поступает по шинам данных (ШД) в буфер данных УСАПП на входной регистр РгВх, затем через внутреннюю шину передается в регистр передатчика РгПд. В момент передачи содержимое РгПд серией сдвигов выдвигается в канал с преобразованием в последовательный код.

В синхронном режиме передаваемые данные сопровождаются управляющими сигналами, называемыми синхронизирующими словами (СС). Для хранения СС используются специальный регистр РгСС на входе УСАПП и регистр состояния (РгС) - на выходе. Из РгС информация в виде байта состояния передается в микропроцессор по его запросу.

Устройство управления (УУ) содержит регистр режима РгР, предназначенный для хранения передаваемой из микропроцессора информации о режиме работы, и регистр команд РгК для хранения принимаемой из микропроцессора команды на обмен данными.

Передаваемый последовательный код перед выходом из передатчика УСАПП в линию связи комплектуется управляющими сигналами, необходимыми для настройки приемника. После такого укомплектования образуется кодовая посылка структуры, представленной на рис. 10.6.

Рис.10.6

Старт-бит всегда имеет единичное значение, отличное от состояния «молчащего» канала. Вслед за старт-битом расположены информационные биты, принятые от шины данных системной магистрали. В зависимости от настройки УСАПП в одной посылке может содержаться от 5 до 8 информационных бит. Значение этих битов в каждой посылке непредсказуемо. В процессе передачи они могут быть искажены помехами. Поэтому в посылке должны содержаться не только биты, говорящие о начале и конце посылки, но и биты для контроля правильности передачи.

В качестве контрольного выступает бит паритета, следующий сразу вслед за информационными битами. С помощью бита паритета осуществляется контроль на четность или нечетность. При контроле на четность сначала подсчитывается количество единиц в информационной части посылки, затем определяется, четное оно или нет. Если полученное число нечетное, бит паритета устанавливается в единицу, в этом случае в правильно переданной посылке всегда будет содержаться четное количество единиц (т.е. единиц, содержащихся в информационных разрядах вместе с битом паритета). При контроле на нечетность бит паритета устанавливается так, чтобы общее количество единиц было всегда нечетным.

При программировании УСАПП программист выбирает, использовать режим контроля или отказаться от него. Он может отказаться от контроля, и бит паритета всегда будет нулевым; может включить контроль на четность или контроль на нечетность. Выбор, что необходимо - контроль на четность или на нечетность, осуществляется в зависимости от характера возможных помех. Если воздействие возможных помех будет проявляться преимущественно в появлении лишних единиц, необходим контроль на четность. Если же воздействие помех будет проявляться преимущественно в исчезновении единиц, то необходим контроль на нечетность (чтобы отличать передаваемый 0 от полной потери информации из-за помех).