12. Интерфейсы микропроцессорных систем, классификация и принципы построения
Объединение модулей МПС в единую систему и взаимодействие МП с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса (от английского interface – сопрягать, согласовать).
Интерфейс – это комплекс линий и шин, сигналов и электронных схем, алгоритмов и программ, обеспечивающих обмен информацией между различными функциональными устройствами МПС и между самими МПС. Интерфейс – понятие обобщающее. Можно выделить:
логическую среду интерфейса – это правила и алгоритмы обмена (их часто называют протоколами), а также программы, реализующие обмен;
физическую среду интерфейса – это вид и параметры сигналов;
конструктивную среду интерфейса – это электронные схемы, вид и количество линий связи, тип электрических разъемов.
Интерфейс выполняет очень важную роль в МПС. Производительность, надежность и эффективность использования МПС определяется не только характеристиками входящих в ее состав устройств, но в очень большой степени характеристиками интерфейсов, связывающих устройства МПС.
Интерфейс должен обеспечить:
возможность реализовать МПС с различной конфигурацией, т.е. с различным составом устройств; включать в систему новые устройства без каких-либо переделок в аппаратуре, а лишь путем добавления программ, обслуживающих данные устройства;
возможность эффективной реализации обмена информацией в МПС, содержащей устройства со значительно различающимися скоростями передачи данных, причем в условиях, когда запросы на операции ввода/вывода от внешних устройств поступают в произвольные моменты времени и имеют разную относительную срочность исполнения;
упрощение и унификацию программирования операций ввода/вывода с исключением необходимости учета особенностей того или иного типа внешнего устройства.
Указанные требования удается реализовать при использовании стандартных интерфейсов МПС.
Стандартный интерфейс – это комплекс унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для взаимодействия различных функциональных устройств (модулей) МПС. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интерфейса; набор линий, сгруппированных по функциональному назначению, принято называть шиной интерфейса. Унификация правил взаимодействия направлена на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости. Именно унификация и стандартизация лежит в основе построения интерфейсов.
Информационная совместимость достигается за счет единых требований, предъявляемых к структуре и составу линий интерфейса, алгоритмов взаимодействия, способам кодирования и форматам данных, управляющей и адресной информации, временными соотношениями между сигналами.
Электрическая совместимость означает согласованность параметров электрических и оптических сигналов, передаваемых средой интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов, способности компонентов и характеристикам используемых линий передачи (длина, допустимая нагрузка и т.д.).
Конструктивная совместимость означает возможность механического соединения электрических цепей, а иногда и механической замены некоторых блоков; этот вид совместимости обеспечивается стандартизацией соединительных элементов (разъемов, штеккеров и т.п.), кабелей, конструкций плат и т.д.
Реализация стандартного интерфейса определяется документом (стандартом), его описывающим. Соблюдение стандарта обеспечивает совместимость изделий разных производителей и гарантирует получение заявленных характеристик интерфейса.
К основным характеристика интерфейса относят: функциональное назначение; тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена; режим обмена; количество линий интерфейса; число линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линий связи.
В настоящее время разработано и используется несколько десятков стандартных интерфейсов. Все это разнообразие можно разбить на две группы по выполняемым функциям:
системные интерфейсы, обеспечивающие сопряжение внутри модулей, между модулями МПС;
внешние интерфейсы, которые обеспечивают связь МПС с внешними устройствами, а также между самими МПС. Эти интерфейсы часто называют интерфейсами ввода/вывода.
Внешние интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:
видом связи. Различают:
дуплексную связь (сообщения могут передаваться одновременно в двух направлениях, что требует двух отдельных каналов связи);
полудуплексную связь (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно возможна передача только в одном. Используется один канал связи, но он может переключаться для изменения направления передачи);
симплексную связь (сообщения могут передаваться только в одном направлении);
пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени (измеряется в Кбит/с или Мбит/с);
максимально допустимым расстоянием между устройствами.
Конкретные значения этих параметров зависит от множества факторов, в частности, от информационной ширины интерфейса, т.е. числа разрядов передаваемых данных, способа синхронизации, среды интерфейса, организации линий интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.
Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединения устройств и использования линий.
Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельной форме, соответственно интерфейсы принято делить на последовательные и параллельные.
В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется по одному информационному каналу. Этот канал может состоять из одной сигнальной линии и обратного провода (такие интерфейсы называют однопроводными). В общем случае число линий может быть и больше. По дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи.
В параллельном интерфейсе передача сообщений выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m сигнальным линиям. Величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены интерфейсы, в которых m=8 или m=16.
Синхронная и асинхронная передача информации. Взаимодействие передатчика и приемника предполагает согласование во времени моментов передачи и приема кванта информации. При синхронной передаче передатчик поддерживает постоянные интервалы между очередными квантами информации в процессе передачи всего сообщения. Приемник независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в темпе их выдачи.
Синхронный режим передачи при последовательном интерфейсе может быть реализован двумя способами:
с использованием внутренней синхронизации;
с использованием внешней синхронизации.
При использовании внутренней синхронизации передатчик в начале сеанса передачи сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN. Переход линии интерфейса из состояния «1» в состояние «0» используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике; приемник распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс показан на рис. 12.1,а. Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые должны обладать высокой стабильностью частоты.
Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт «обрамляется» стартовым и стоповыми битами, как показано на рис. 12.2. Стартовый бит изменяет состояние линии интерфейса с «1» на «0» и служит для запуска генератора в приемнике; стоповый бит переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале передачи одного байта информации.
Рис. 12.1. Синхронная передача данных: а) – при внутренней синхронизации; б) – при внешней синхронизации
Рис. 12.2. Асинхронная передача последовательных данных
Соединение устройств и организация линий интерфейса. Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двухточечная схема) или общей для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют специальную схему управления интерфейсом, называемую арбитром.
Организация адресации и опроса, а также структура схемы управления интерфейсом в значительной степени определяются способом соединения устройств. По этому признаку различают радиальный, магистральный и комбинированные интерфейсы.
13. Параллельные интерфейсы: ИРПР (интерфейс радиальный параллельный), Centronics (стандартный интерфейс для подключения к компьютеру принтера). Назначение, форматы передачи данных, основные технические характеристики.
ИРПР (интерфейс радиальный параллельный) является унифицированной системой связи между устройством ввода/вывода (УВВ) микропроцессорной системы и контроллером и обеспечивает единые способы обмена информацией для различных УВВ при работе как с контроллером, так и непосредственном соединении двух УВВ. УВВ подключается к контроллеру или другому УВВ радиально с помощью кабеля. Устройство, выполняющее прием информации, называется приемником (П); устройство, выполняющее передачу информации, называется источником (И). Международным аналогом ИРПР считается стандарт BS 4421 (Великобритания).
Технические характеристики ИРПР. Единица обмена данными – байт или слово. Байт может содержать менее 8 бит (5, 6 или 7). Максимальная длина слова – 16 бит. Число взаимодействующих устройств – 2. Максимальное удаление двух взаимодействующих устройств – 15 м.
В организации обмена в простейшем случае участвует один источник в составе УВВ (или контроллера) и один приемник в составе контроллера (или УВВ). Пример такого соединения представлен на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Соединение приемника и передатчика-источника в интерфейсе ИРПР
Сигнал ГИ (готовность источника) свидетельствует о готовности источника к работе. Сигнал ГП (готовность приемника) передается источнику и информирует его о готовности приемника к работе. Сигнал строба СТР формируется источником и служит для стробирования передачи информации по линиям данных. Сигнал ЗП (запрос приемника) свидетельствует о готовности приемника принять очередной байт данных по линиям Д0-Д7 от источника. Предусмотрены также линия экрана и обратный (общий) провод для создания замкнутой цепи передачи сигналов. В обозначениях линий управления присутствуют буква И или П, означающая, что сигнал на этой линии формирует источник (И) или приемник (П). Если буква отсутствует, то сигнал формирует источник.
Так как линии интерфейса являются однонаправленными, то передача данных между источником и приемником осуществляется только в одном направлении (симплексный обмен), Для организации дуплексного обмена, т.е. одновременной передаче в противоположных направлениях, требуется два комплекта линий ИРПР.
На рис. 13.2 приведены временные диаграммы сигналов при передаче данных по интерфейсу ИРПР. Обмен информацией регламентируется следующим алгоритмом. Работа по интерфейсу может осуществляться только при наличии сигналов ГИ и ГП, с помощью которых источник и приемник оповещают друг друга о работоспособности. Как только у источника появляется необходимость передать данные, он анализирует состояние линии ЗП и, в случае ее активности (наличии сигнала запроса приемника) выдает байт на линии данных Д0-Д7. После этого источник устанавливает сигнал строба СТР, по которому данные записываются в приемник. Сигнал СТР снимается после перехода сигнала ЗП приемника в пассивное состояние. В свою очередь приемник для получения байта данных должен установить сигнал ЗП, дождаться активного состояния линии СТР, и принять байт с линий Д0-Д7. На время обработки приемником полученного байта сигнал ЗП снимается. Скорость обмена, таким образом, может задаваться как приемником, так и источником.
Рис. 13.2. Временные диаграммы сигналов интерфейса ИРПР
В ИРПР принята инверсная логика, т.е. низкий уровень – это логическая 1, а высокий уровень – это логический 0. Используются ТТЛ-уровни для кодирования «0» и «1».
В источнике для формирования сигналов интерфейса используются буферные элементы – инверторы с открытым коллектором с выходными уровнями логической единицы 0 – 0,4 В и логического нуля 2,4 – 5,25 В. Логические элементы – инверторы в приемнике воспринимают уровни сигналов 0 – 0,8 В в качестве логической единицы, а 2,0 – 5,25 В – в качестве логического нуля. Подтягивающие резисторы с сопротивлением 220 Ом подключаются на входах линий приемника к источнику питания +5 В.
Интерфейс Centronics получил свое название по имени американской фирмы-производителя принтеров, предложившей в свое время собственный интерфейс для принтеров. Сегодня интерфейс Centronics стал де-факто международным стандартом. Большинство принтеров и персональных компьютеров используют этот интерфейс. Отечественным аналогом Centronics является интерфейс ИРПР-М.
Для подключения принтера по интерфейсу Centronics в персональный компьютер (ПК) был введен специальный параллельный порт. Так возникло название LPT-порт (Line PrinTer – построчный принтер). Хотя сейчас через этот порт подключаются не только принтеры, название “LPT” осталось. Для подключения кабеля интерфейса к ПК используется 25-контактный разъем типа D-shell, в ПК устанавливается розетка DB-25S.
Сигналы интерфейса Centronics имеют следующее назначение:
D0…D7 – 8-разрядная шина данных для передачи данных из ПК в принтер.
- сигнал стробирования данных. Сигнал
информирует принтер, что можно принимать
данные.
- сигнал подтверждения принятия данных
и готовности принтера принять следующие
данные.
- сигнал занятости принтера. Принтер
занят обработкой полученных данных и
не готов принять следующие данные.
- сигнал автоматического перевода
строки. Получив его, принтер переводит
каретку на следующую строку.
–
сигнал конца бумаги.
–
сигнал готовности принтера.
- сигнал принтеру о том, что он выбран
и последует передача данных.
- сигнал ошибки принтера.
сигнал
инициализации (сброса) принтера.
Как видно из описания, многие сигналы дублируют друг друга, что позволяет предусмотреть все возможные ситуации в работе интерфейса. Временные диаграммы при передаче данных в интерфейсе Centronics представлены на рис. 13.3.
Рис. 2.37. Временные диаграммы интерфейса Centronics
(все интервалы указаны в микросекундах)
Перед началом цикла передачи данных в принтер ПК должен проверить, что сняты сигналы BUSY и . После этого ПК выставляет данные и формирует строб. Затем снимается строб и снимаются данные. Принтер должен успеть принять данные с выбранным темпом. При получении строба принтер формирует сигнал BUSY, а после окончания обработки данных выставляет сигнал , снимает BUSY и снимает . Затем может начинаться новый цикл. Таким образом, в интерфейсе реализуется асинхронный обмен с квитированием.
Все сигналы Centronics передаются в уровнях ТТЛ и рассчитаны на подключение одного стандартного входа ТТЛ. Максимальная длина соединительного кабеля по стандарту – 1,8 м. Максимальная скорость обмена – 100 кбайт/с.