Принципы организации интерфейсов

Линии интерфейсов - электрические цепи, являющиеся составными физическими связями интерфейса.

Шина - совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению.

Магистраль - совокупность всех линий интерфейса. Выделяют 2 магистрали: информационного канала и управления им. По информационной магистрали передают коды адресов, команд, данных, состояния. Аналогичные наименования имеют соответствующие шины интерфейса.

Шины адреса предназначены для выборки в магистрали узлов устройства, ячеек памяти. Для логической адресации обычно используют двоичный код. В некоторых интерфейсах применяют позиционное, когда каждой позиции/месту для выборки выделяют отдельную линию.

Шины команд используют для управления операциями на магистрали. В стандартах на интерфейс регламентируют минимальный набор команд (возможно резервирование кодов команд для расширения). По функциональному назначению различают команды адресации (задают режим адресации - вторичный, групповой и т.п.), управления обменом информации, изменения состояния режима работы. Наиболее распространенными командами являются "Запуск", "Чтение", "Запись", "Конец передачи".

Шины данных используют для передачи двоичные коды. Как правило, в параллельных интерфейсах данные кратны байту (8,16,24,32 разрядов), а в некоторых интерфейсах их сопровождают биты четности (паритета), идентификаторы разрядности передаваемых данных (по числу байтов - 1-4 байт).

Шины состояния используют для передачи сообщений о результате выполнения операций на интерфейсе или состоянии устройств сопряжения. Коды формируют в ответ на действие команд или отображают состояние функционирования устройств (готовность, занятость, ошибка). В стандартизованных интерфейсах разряды состояния унифицированы для любых устройств, в других носят рекомендательный характер или отсутствуют.

В большинстве интерфейсов коды адресов, данных, команд, состояний передают по шинам интерфейса с разделением времени в режиме временного мультиплексирования сигнала по одним и тем же линиям с использованием дополнительных линий идентификации типа передаваемой информации. Это сокращает число линий информационной магистрали, но и снижает быстродействие передачи информации. Перспективные параллельные интерфейсы СОИ чаще используют как мультиплексируемые магистрали.

Магистраль управления информационным каналом по функциональному назначению делят на шины управления обменом и режима работы, передачи управления, прерывания, спецсигналов.

Шина управления обменом имеет линии синхронизации передачи информации (1..4 в зависимости от синхронного или асинхронного обмена). При синхронном обмене темп выдачи и приема задают регулярной последовательностью сигналов на 1 или 2 отдельных линиях (обычно двунаправленные), а асинхронный происходит при идентификации приемником готовности к приему и завершается подтверждением приема.

Шину передачи управления используют для реализации операций приоритетного занятия магистрали (арбитраж ресурсов шины). Ее состав и конфигурация зависят от структуры управления интерфейсом (децентрализованная, централизованная). Интерфейсы двухточечного подключения 2 устройств (ИРПР, ИРПС) не имеют шину передачи управления.

Шину прерывания применяют для идентификации устройства (системные интерфейсы ЦВМ, программно-модульные системы управления и измерения) при запросе сеанса связи. Устройство идентифицируют адресом источника/программы обслуживания прерывания (вектор прерывания).

Шины управления режимом работы и специальных управляющих сигналов имеет линии обеспечения работоспособности интерфейса (приведение в исходное состояние, контроль питания, контроль и служба времени).

Структуры связей интерфейсов делят на магистральные, радиальные, цепочечные и смешанные (комбинированные). Связь устройств возможна с помощью одно- или двунаправленной передачи сигналов.

1.3. Функциональная организация интерфейсов. В качестве основных функций, обеспечивающих информационную совместимость, выделяют селекцию информационного канала, синхронизацию обмена информацией, координацию взаимодействия, обмен и преобразование формы представления информации.

Арбитраж ( селекция ) обеспечивает взаимодействие сопрягаемых элементов системы за счет разрешения конфликтов доступа устройства к информационному каналу интерфейса (селекция канала) и одного устройства к другому (координация взаимодействия). Централизованную структуру управления арбитражем характеризует наличие функционального узла управления арбитражем и разомкнутых линий шин передачи управления и прерывания.

Основные варианты реализации централизованной структуры:

1) временная селекция магистрали на основе генератора арбитра. Магистраль предоставляют каждому устройству через равные промежутки времени и моменты ее занятия определяют синхронно работающие в каждом подключенном устройстве счетчиками;

2) последовательное адресное сканирование источников запроса производят по общему запросу, выполняемому последовательной кодовой адресацией всех подключенных устройств в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания. При обнаружении источника запроса дальнейшую выдачу адресов прекращают, устанавливают сигнал "Занято", а после обслуживания данного источника запроса начинают поиск следующего;

3) последовательная (цепочечная) селекция. Начинают по сигналу "Запрос" и выполняют путем выдачи сигнала "Подтверждение", последовательно проходящего через все устройства. При поступлении сигнала в устройство (источник запроса наивысшего приоритета) его дальнейшее прохождение блокирует и устройство выставляет на магистраль сигнал "Занято";

4) по выделенным радиальным линиям "Запрос" и "Подтверждение". Вариант характерен меньшим временем селекции и гибкостью дисциплины обслуживания (достигают за счет увеличения числа линий и усложнения схемотехнического оборудования).

В децентрализованной структуре схема арбитра симметрично распределена по устройствам сопряжения, а соответствующие линии являются двунаправленными или замкнутыми однонаправленными. Основные варианты реализации схем селекции децентрализованной структуры:

1) параллельное адресное сравнение/децентрализованное кодовое управление (ДКУ). Суть его состоит в параллельном выделении приоритетного кода запроса с помощью поразрядного сравнения кодов приоритета в асинхронном режиме одновременно во всех устройствах интерфейса, выставивших запросы. Фиксация окончания выделения наиболее приоритетного кода может происходить синхронно и асинхронно с меньшим временем выделения приоритетного кода (требует увеличения числа связей и усложнения структуры интерфейсных узлов);

2) ДКУ с одной линией (схема И). Суть состоит в последовательности выделения кода запроса с помощью поразрядного сравнения передаваемых кодов (адреса источников, признаки операции и т.д.) с использованием взаимной синхронизации нескольких ведущих устройств с помощью линии синхронизации. Приоритет определяет арбитр (схема И) с использованием адресного поля устройством, первым генерирующим сигнал синхронизации (применяют в малых локальных сетях и последовательных интерфейсах современных интерфейсных систем);

3) кольцевая схема с циркулирующим маркером (импульса/серии импульсов) по одной линии. Устройство "запроса шины" не пропускает маркер к следующему устройству, тем самым прекращая циркуляцию маркера. Часто применяют в локальных сетях;

4) замыкание общей линии "Запрос" с линией "Подтверждение" и прохождение сигнала "Подтверждение" к устройству "запроса" и находящегося ближе к участку замыкания.

Основные операции арбитража запросов: инициирование, выделение, идентификация приоритета запроса.

Инициирование запроса включает выдачу, хранение и восприятие запроса на взаимодействие. Чаще сигналы запросов от устройств объединяют "дизъюнктивно" на шине запросов или воспринимают по отдельным радиальным линиям и сохраняются до освобождения информационного канала в регистре запросов арбитра или на отдельных триггерах каждого интерфейсного блока (при магистральной структуре шины запроса).

Схемотехническую реализацию операции выделения приоритетного запроса выполняют соединением интерфейсных блоков линией приоритетной выборки последовательно, параллельно и параллельно-последовательно.

Идентификация запроса состоит в определении адреса приоритетного источника запроса. Операцию выдачи приоритетного кода в зависимости от способа его выделения выполняют параллельно в структурах с параллельным сравнением и последовательно в структурах с цепочечным соединением устройства. Адреса могут быть заданы двоичным/позиционным кодом и передаваться по адресной/информационной шине.

Синхронизация определяет согласование взаимодействия функциональных элементов системы. При синхронном взаимодействии интервал смены состояния передачи не меньше самого большого интервала изменения состояния приема. При синхронном взаимодействии передачи и приема существует отношение предшествования.

Выделяют 3 иерархических процесса синхронизации передачи битов слова, слов и массива слов.

Синхронизацию передачи битов слова выполняют при параллельной передаче многоразрядных кодов и обусловливают переходными процессами установления сигналов в линиях информационного канала из-за разброса параметрических характеристик ППЭ линий связи. Прием передаваемого слова синхронизирует стробирующий сигнал от источника/приемника данных, который выдают с фиксированной задержкой по отношению к моменту выдачи всех разрядов кода слова.

Синхронизацию передачи слова определяют основные характеристики интерфейса, в том числе возможность взаимодействия одного источника с несколькими приемниками и работу при различной допустимой длине связи. На этом уровне обычно используют 2 способа синхронизации передачи без и с обратной связью.

Схему синхронизации без обратной связи выполняют на основе одного общего или отдельных тактирующих генераторов высокой стабильности с использованием отдельной линии стробирования (схему обычно используют в последовательных интерфейсах с побитовой передачей).

Применение обратной связи обеспечивает гибкую адаптацию к изменению скорости передачи информации, более полное использование пропускной способности канала и одновременную передачу информации от одного источника к нескольким приемникам.

Функция координации определяет совокупность процедур по организации и контролю взаимодействия устройств системы. Основные операции координации:

- настройка взаимодействия включает опрос и анализ состояния называемого устройства, а также передачу команд и приема информации состояния;

- контроль взаимодействия включает разрешение тупиковых ситуаций асинхронного взаимодействия и повышение достоверности передаваемых данных. Контроль тупиковых ситуаций ("тайм-аут") взаимодействия (синхронизация с обратной связью, приоритетная выборка на основе последовательного опроса и т.п.) основан на измерении фиксированного интервала, в течение которого должно наступить ожидаемое асинхронное событие. Если за указанный интервал событие не наступит, то фиксируют неисправность;

- контроль передаваемых данных основан на использовании кодов, построенных на принципах избыточного кодирования информации (циклические коды - по модулю 2, Хемминга и т.п.);

- передача управления состоит в передаче функций координации между ФЭ интерфейса (характерна для интерфейсов с децентрализованной структурой управления). Основное назначение операции - повышение надежности управления (резервирование управления при отказе ФЭ с функциями управления интерфейсом, при отключении питания) и эффективности использования элементов системы (исключение дублирования дорогостоящих устройств с помощью организации доступа к ним с разделением времени 2 и более контроллеров/ЦВМ).

Функции обмена и преобразования информации, выполняемые информационным каналом в следующем:

- функции обмена (прием и выдача) адресов, команд, данных и состояния регистрами устройств системы;

- функции преобразования - параллельно-последовательное преобразование и перекодирование информации, дешифрация адресов, команд, логические действия над содержимым регистра состояния.

Схемотехническая реализация преобразования специфична для каждого устройства и определяется функциональными требованиями, предъявляемыми к нему СОИ. Схемотехническая реализация обмена в основном унифицирована для различных устройств интерфейса.

1.4. Классификация интерфейсов. Основными классификационными признаками интерфейсов являются - способ соединения компонентов (магистральный, радиальный, цепочечный, смешанный, комбинированный), способ передачи (параллельный, параллельно-последовательный), принцип обмена (асинхронный, синхронный) и режим передачи (двухсторонняя, односторонняя, двухсторонняя поочередная, односторонняя) информации.

Более полная характеристика и классификация интерфейсов базируется на совокупности нескольких основных признаков:

- область распространения или функциональное назначение;

- логическая и функциональная организации;

- физическая реализация.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы делят на такие основные классы: системные (машинные/ввода-вывода) интерфейсы ЦВМ; сосредоточенных магистральных мультипроцессорных систем; периферийного оборудования (общего назначения и специализированные); сетей передачи данных (стыки и протоколы); программно-управляемых модульных систем и приборов; локальных вычислительных сетей различных типов; распределенных систем общего назначения и управления; малых локальных сетей микроконтроллеров.

Классификация интерфейсов по логической и, функциональной организации может быть выполнена раздельно для информационного и управляющего каналов по основному и дополнительному признакам, каждый из которых может быть отмечен соответствующей мнемоникой.