Определение интерфейса эвм и систем. Классификация интерфейсов по функциональному назначению, по топологии связей, принципу обмена информацией, режиму обмена информацией.
Интерфейс ЭВМ - это совокуп-сть унифицированных аппаратурных, программных и
конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия функциональных устройств.
Интерфейс - это средство передачи инф. и в некотором смысле «артерия» вычислит-х
систем. От правильного выбора интерфейса в конечном счете существенно зависит производительность всей системы.
Основные характеристики интерфейсов:
- функциональное назначение;
- производительность (битовая или байтовая скорость);
- топология связей;
- принцип обмена информацией;
- режим обмена;
- максимальное количество абонентов;
- число линий, используемых в интерфейсе;
- число адресуемых абонентов;
- максимальная протяжённость физической среды, в рамках которой будет работать интерфейс.
Унификации (стандартизации) в интерфейсах обычно подлежат:
- форматы передаваемой информации;
- команды и состояния интерфейса;
- состав и тип линий связи;
- алгоритмы функционирования;
- передающие и принимающие устройства;
- параметры сигналов ;
- конструктивные решения (например, типы разъемов, габаритные размеры печатных плат, конструктивные особенности блоков).
Актуальность стандартизации интерфейсов обуславливается необходимостью:
обеспечения совместимости изделий различных изготовителей;
применения одних и тех же функциональных устройств в различных системах;
совершенствования функциональных характеристик интерфейсов (в первую очередь, скорости передачи информации, числа объединяемых абонентов, физической протяженности);
реконфигурации системы на всех уровнях без каких-либо доработок в процессе эксплуатации;
унификации аппаратурных средств, чтобы обеспечить серийное изготовление элементной базы (контроллеров, шинных формирователей, кабелей, разъемов, конструктивных элементов и т.д.);
- разработки универсального программного обеспечения;
разработки унифицированного контрольно-поверочного оборудования;
тщательной проработки схемотехнических особенностей линий связи;
сокращения сроков разработки новых приборов и устройств
По функциональному назначению :
Локальный интерфейс - это процессорно-ориентированный интерф, для обеспечения непосредственного, локального и высокоскоростного взаимодействия меж микропроцессором, его сопроцессором, ОЗУ, КЭШ-памятью и быстрыми ВУ, такими как контроллер графики.
Мезонинный интерфейс - это высокоскоростной процессорно-независимый интерфейс для
взаимодействия меж одним или несколькими микропроцессорами с общим ОЗУ, КЭШ-памятью и быстрыми внешними устройствами, такими как контроллер графики. Пример мезонинного интерфейса - интерфейс PCI на заре его внедрения.
Системный интерфейс (интерфейс магистрально-модульных ЭВМ) - это интерфейс, рассчитанный на расширение системы, обеспечивающий взаим-е между несколькими микропроцессорами с общим ОЗУ, периферийными устройствами ЭВМ и не зависящий напрямую
от архитектурных особенностей микропроцессора. Примеры - интерфейсы VME, VXI,
FB+, Compact PCI, PXI, Compact PCI-XP.
Приборный интерфейс - это интерфейс конкретного ВУ, представляющего собой
систему неунифицированных информационных и управляющих сигналов, обеспечивающую в большинстве случаев максимальную скорость обмена информацией и управление некоторым конкретным прибором.
Примеры - интерфейсы ESDI, ST506/412.
Интерфейс периферийных устройств - это интерфейс, служащий для подключения к системному
интерфейсу ЭВМ различных по принципу действия периферийных устройств (принтеров, клавиатуры, сканеров и др.), каждое из которых имеет специфичный приборный интерфейс.
Примеры - интерфейсы SCSI, Centronics, IEEE-488, RS-232С, RS-422А, RS-485, USB, FC.
Интерфейс локальной вычислительной сети (ЛВС) - интерфейс сети, представляющей собой
совокупность абонентов, объединенных каналами передачиданных и расположенных, в пределах одного здания . Примеры – интерфейсы МИК (MIL STD 1553), Ethernet, FDDI, TRN.
Межкомпонентный интерфейс предназначен для экономной по оборудованию связи между
радиоэлектронными компонентами, как правило, между большими интегральными схемами в режименастройки, в частности, между PIC-контроллерами и микросхемами памяти системы. Пример – интерфейс I2C.
Интерфейс системы на кристалле предназначен для унифицированного подключения различных функциональных устройств, объединяемых в систему в пределах одного кристалла (например, ПЛИС).Пример - интерфейс WISHBONE.
По организации связей (топологии) интерфейсы подразделяют на:
магистральные (рис.1.5,а);
радиальные, или звездообразные (рис.1.5,б);
кольцевые (рис.1.5,в);
древовидные, или иерархические (рис.1.5,г);
радиально-магистральные (рис.1.5,д).
По принципу обмена информацией
-с последовательной-в пределах ЛВС(бит за битом)
- параллельной –в пределах одного конструкт.модуля(байтом словом)
- последовательно-параллельной передачей информации.-меж отд-ми периф устр.(байт за байтом(слово)слова по 8,16,24,32бита)
По режиму обмена информацией интерфейсы подразделяют на:
симплексные- однонаправленная передача информации от одного абонента к другому
полудуплексные-; в произвольный момент времени любой из двух абонентов может начать передачу инф. другому, если шина интерфейса свободна
дуплексные в произвольный момент времени любой из двух абонентов может начать передачу информации другому -;
мультиплексные- в каждый момент времени связь
может осуществляться между двумя абонентами в любом, но единственном направлении.
Задачи кодирования информации в последовательных интерфейсах. Код NRZ (БВН). Код RZ (ВН). Код NRZI (БВНИ). Передача синхроимпульса по отдельной линии связи как способ битовой синхронизации. Использование самосинхронизирующихся кодов для битовой синхронизации. Примеры самосинхронизирующихся кодов.
На физическом уровне в линиях связи интерфейсов с параллельной передачей информация представляется, как правило, дискретными сигналами.
На физическом уровне в линиях связи интерфейсов с последовательной передачей информация может представляться дискретными и аналоговыми сигналами.
В качестве физического представления дискретных сигналов (логического «0» и «1») можно использовать:
- уровни напряжения
- наличие или отсутствие тока в линии
- инфракрасное (ИК) излучение
- световое излучение
В качестве физического представления аналоговых сигналов (логического «0» и «1») можно использовать:
- уровни напряжения синусоидального сигнала (амплитудная модуляция)
- изменение частоты синусоидального сигнала (частотная модуляция)
- изменение фазы синусоидального сигнала (фазовая модуляция)
- комплексное изменение амплитуды, частоты и фазы (квадратурная модуляция)
Кодирование информации в интерфейсах с последовательной передачей служит удовлетворению следующих требований:
- повышение скорости передачи информации (алфавитные коды);
- обеспечение максимального число изменений уровня сигнала в единицу времени для поддержания битовой синхронизации ;
- сужения частотного спектра сигнала для передачи сигналов по физической среде с ограниченной полосой пропускания;
- удаление постоянной составляющей из спектра частот сигнала, что обеспечивает гальваническую развязку между устройствами, связанными некоторым интерфейсом ;
- простота обнаружения ошибок при передаче информации;
- простота аппаратного решения процедуры самого кодирования;
- обеспечения равномерности спектральной характеристики сигнала передаваемой последовательности для уменьшения создаваемого уровня электромагнитных помех;
- снижение требований по мощности к передатчику.
Униполярный код без возвращения к нулю, или униполярный NRZ (non return to zero)-код образуется из двоичной последовательности, если логический «0» передается уровнем 0 В в течение битового интервала, а «1» передается уровнем +U В в течение битового интервала.
Биполярный код без возвращения к нулю, или биполярный NRZ-код образуется из двоичной
последовательности, если логический «0» передается уровнем –U В в течение битового интервала, а логическая «1» передается уровнем +U В в течение битового интервала.
Достоинства NRZ-кода - минимальная полоса частотного спектра при конкретной скорости передачи данных и простота кодирования (декодирования). Недостатки - не обеспечивает битовой синхронизации, гальванической развязки и высокой помехозащищенности.
Униполярный код с возвращением к нулю, или униполярный RZ (return to zero)-код
«0» передается 0 В в течение битового интервала, «1» передается уровнем +U В в течение 1ой половины битового интервала и уровнем 0 В – в течение 2ой половины битового интервала.
Биполярный код с возвращением к нулю, или биполярный RZ-код
«0» передается уровнем –U В в течение первой половины битового интервала и уровнем 0 В - в течение второй половины битового интервала, а логическая «1» передается уровнем
+U В в течение первой половины битового интервала и уровнем 0 В - в течение второй половины битового интервала.
Достоинства - обеспечение битовой синхронизации и простота кодирования (декодирования).
Недостаток - не обеспечивает гальванической развязки и высокой помехозащищенности,
требует в два раза шире полосу частот, чем NRZ-код, при одинаковой битовой скорости.
Код без возвращения к нулю с инверсией (БВНИ), или NRZI (non return to zero with inversion)-код. -с инверсией по 0 логическая «1» передается отсутствием изменения уровня предшествующего бита; логический «0» передается изменением уровня напряжения предшествующего бита на противоположный.
- с инверсией по 1 логический «0» передается отсутствием изменения уровня напряжения
предшествующего бита; логическая «1» передается изменением уровня напряжения предшествую-
щего бита на противоположный.
Достоинства - достаточно легко реализуется аппаратурно и требует минимальную полосу
пропускания, как и код NRZ, частично обеспечивает битовую синхронизацию.
Недостатки - не обеспечивает полную битовую синхронизацию и гальваническую развязку устройств.
Самосинхронизирующийся код «Манчестер-2» представляет каждый бит двоичной последовательности сменой уровня напряжения в середине битового интервала. Например, в
мультиплексном информационном канале (МИК), если низкий уровень напряжения сменяется высоким, то передается логический «0»; если высокий сменяется низким, то передается логическая
«1».
Достоинства кода - битовая синхронизация по единицам и нулям, отсутствие постоянной
составляющей в сигнале высокая помехозащищенность.
Недостаток - требуется достаточно широкая полоса частот.
биполярный трехуровневый код. «1» представляется нулевым уровнем напряжения, логический «0» - уровнем напряжения +U В или –U В, причем полярность меняется всякий раз, когда перед логическим «0» следует нечетное количество логических «1».
код Миллера. Логическая «1» отображается сменой полярности импульса в середине битового интервала, логический «0» не вызывает смены полярности, кроме как на границе соседних (смежных) битовых интервалов, соответствующих логическим «0».
Алфавитные коды. Достоинства и недостатки. Битовая синхронизация с применением битстаффинга. Скремблирование как способ битовой синхронизации. Обрамление кадра открывающим и закрывающими флагами как способ кадровой синхронизации.
Алфавитный код, или код «m бит n периодов» (mBnS).
алфавитный код 4B3S (4 бита 3 периода). Логическая двоичная последовательность разбивается на группы по 4 бита, и каждая тетрада кодируется троичным кодом (+U, 0, –U) длиной три периода. Двоичная тетрада обеспечивает 16 различных кодовых наборов, в то время как троичная триада может закодировать 27 различных кодовых наборов. Переход к троичной системе счисления уменьшает длину последовательности и, следовательно, повышает скорость передачи.
Битовая синхронизация поддерживается при передаче длинных последовательностей лог.«1»и «0» даже в коде без возвращения к нулю, если применяется процедура битстаффинга, т.е. вставка избыточных нулей и единиц в передаваемые двоичные последовательности.
Суть битстаффинга заключается в следующем: передатчик перед передачей сигнала D1 в
линию связи подсчитывает число подряд идущих единиц или нулей в исходной D и, если их число равно или больше 5, то после пятой подряд идущей «1» или «0»
передатчик вставляет «1» (подряд пять нулей) или «0» (подряд пять единиц).
Обработанная так D1 * представляется на выходе передатчика сигналом D1, передается по линии связи и в виде сигнала D2 поступает на вход приемника с задержкой Tл. Приемник принимает сигнал D2 без потери битовой синхронизации, поскольку в нем через каждые пять битовых интервалов обязательно имеет место изменение уровня сигнала, и формирует двоичную последовательность * D2 В кадрах *D1 и *D2 любой длины принципиально не может быть более пяти «1» или пяти «0» подряд. Приемник, сформировав такую последовательность * D2 с учетом аналогичных правил автоматически убирает «лишние» «0» и «1» и выставляет на выход последовательность D, адекватную
последовательности D. В реальных интерфейсах чаще всего период удержания Tуд битовой синхронизации равен
пяти тактам.
Недостаток такого способа битовой синхронизации заключается в снижении реальной скорости
передачи из-за вставленных битов (в рассмотренном примере на
20%)
Скремблирование (перемешивание битов) исп-ся для битовой синхронизации при передаче инф. на большие расстояния с применением модемов. Рассмотрим схему (рис.1.21) передачи информации при использовании скремблирования.
Передаваемая по линии последовательность bi не содержит большого числа подряд передаваемых 0 и 1, так как исходная двоичная последовательность ai (например 110110000001) заменяется в скремблере путем перемешивания битов последовательностью bi (110001101111) с ограниченным числом подряд передаваемых «0» и «1» (рис.1.22).
На входе передатчика стоит скремблер, поэтому приемнику передаются уже скремблированные данные, а на выходе приемника стоит дескремблер, восстанавливающий исходную последовательность
ai(110110000001) из двоичной последовательности bi(110001101111).
Обрамление кадра открывающим и закрывающим флагами как способ кадровой синхронизации.
Проблема заключается в определении приемником первого информационного (значащего) бита в
двоичной последовательности (кадре, фрейме, дейтограмме), приходящей по линии связи на вх.
приемника асинхронно (в произвольный момент времени). два способа ее решения:
1) обрамление кадра открывающим и закрывающим флагами;
2) соглашение по временной диаграмме передачи (синхронный кадр).
Обрамление кадра открывающим и закрывающим флагами.
В этом случае кадровая синхронизация обеспечивается обрамлением тела кадра (адресное поле, поле управления, поле данных, контрольное поле) спец. флагами. Например, в байт- ориентированном кадре SDLC откр. и закр. флагами служит байт 01111110.
Передатчик, посылая кадр SDLC (рис.1.23), начинает передачу с открывающего флага (01111110),
затем без пауз передает тело кадра, обработав его с помощью процедуры битстаффинга по «1» и после передачи последнего бита тела кадра заканчивает SDLC-кадр закрывающим флагом (01111110). Приемник,
«зная», что в теле кадра не должно быть более пяти подряд «1», приняв впервые
двоичную послед-ть из шести подряд идущих единиц, а точнее, код 01111110, распознает ее как
открывающий флаг. Так он определяет место первого бита тела кадра, поскольку следом за открывающим флагом приходит первый бит тела кадра. Обнаружив вторично в кадре послед-ть 01111110, приемник
считает, что SDLC-кадр закончился, и переходит в режим ожидания открывающего флага следующего кадра.
Флаги в различных кадрах различны, но суть одинакова. При этом должна
обеспечиваться кодовая прозрачность, т.е. в теле кадра должны передаваться любые двоичные
послед-ти, включая флаговые.
Флаговое обрамление кадра применяется в большинстве последовательных интерфейсов, например в
системных интерфейсах PCI-XP, Compact PCI-XP, FlexRay,
Синхронный кадр (рис.1.24). Используется в цифровых телефонных линиях E-1 и может служить
примером соглашения временной диаграммы передачи. Каждый синхронный кадр (сверхцикл)
длительностью 2 мс включает 16 циклов по 125 мкс. Каждый цикл состоит из
32 временных интервалов, в последнем передается 1 байт информации.
Основные технические характеристики интерфейса PCI. Одномагистральная PCI- система. Многомагиcтральная PCI- система. Подмагистрали интерфейса PCI, состав и назначение. Понятие транзакции в PCI; типы транзакций.
Одномагистральная PCI-система. Подмагистрали интерфейса PCI, состав и назначения.
