Часть 3. Ввод/вывод в мпу

3.1. Понятие и характеристики интерфейса

Интерфейс (И) – организация взаимодействия различных частей управляющей или вычислительной системы (от английского interface – сопрягать, согласовывать). Основными элементами интерфейса являются:

• Совокупность правил обмена информации (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса).

• Аппаратная реализация (физическая реализация) – приемопередатчики, разъемы, линии связи, контроллеры.

• Программное обеспечение интерфейса – подпрограммы-драйверы.

Интерфейс должен обеспечивать:

• Простое и быстрое соединение данного устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс;

• Совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик;

• Высокую надежность.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленные на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.

Основные характеристики интерфейса:

• производительность [бит/с = бод, Байт/с и т.д.],

• максимальная длина линий связи,

• число информационных линий связи – разрядность, различают одноразрядный – последовательный и многоразрядный – параллельный,

• направление передачи:

• однонаправленный – симплексный,

• полностью двунаправленный с возможностью одновременного приема и передачи – дуплексный,

• двунаправленный с разделением времени работы линии на прием и на передачу – полудуплексный,

• по типу объединяемых устройств и распределению ролей между ними:

• активный - пассивный/е: с постоянным или переменным положением активного,

• активный - активный/е,

активным, как правило, выступает устройство, содержащее процессор.

• по назначению:

• внутрисистемный – как правило, высоко производительный И для связи процессора с блоками памяти и пр., обеспечивает функционирование ядра системы и наиболее требовательных по быстродействию периферийных устройств,

• внутрикристальный – обеспечивает функционирование системы в пределах одной микросхемы (кристалла),

• внешний – для связи ядра системы с внешними периферийными устройствами или для связи активных устройств распределенной системы управления.

• число устройств, объединяемых интерфейсом:

• два устройства – тип «точка-точка» (Point-To-Point – PTP),

• более двух устройств – «многоточечная» (Multy-Point-Interface – MPI), то есть локальная сеть; здесь термин «локальная» указывает на ограничение числа устройств и расстояний между ними.

Сети в свою очередь имеют дополнительные характеристики:

• топология, то есть способ объединения устройств в сеть:

• радиальный или «звезда» – ведущее устройство имеет отдельные связи с каждым ведомым и обеспечивает передачу информации между ними; здесь высоки требования к надежности и производительности ведущего;

• кольцо – каждое устройство имеет связь на прием от одного устройства и на передачу к другому; целостность системы разрывается при отказе единственного устрйства;

• шина – каждое устройство имеет связь на прием и на передачу со всеми устройствами сети; здесь возникает проблема разделения шины во времени между устройствами, но надежность системы высока, поэтому, этот принцип широко применяется в распределенных системах управления;

• комбинированные,

• способ адресации устройств в сети и размер адресного пространства.

Параллельный и последовательный интерфейс

Принцип параллельного И - передача набора из N бит по N информационным линиям за 1 такт. Если разрядность шины R (число линий связи) меньше N, то потребуется N * R тактов передачи.

Принцип последовательного интерфейса - передача набора из N бит по одной информационной линии за N тактов.

Производительность интерфейса оценивается средним числом бит или байт, передаваемых за единицу времени (секунду). При одинаковой частоте тактирования приемника и передатчика последовательный интерфейс принципиально медленнее параллельного.

МК (процессор) работает с данными "в параллельном" виде, то есть с байтами, словами и т.д. Передача данных в этом формате поддержана параллельными связями в виде шин данных, адреса, параллельных портов и т.д. Хотя параллельный интерфейс в принципе самый высокопроизводительный, сейчас он все больше уступает последовательному интерфейсу.

При передаче данных на значительное расстояние экономия числа проводников традиционно определяет преимущества последовательного интерфейса перед параллельным (глобальные связи и сети).

В последнее десятилетие параллельный интерфейс все более заменяется последовательным и во внутрисистемных локальных связях и сетях. Это связано с перекрестными помехами в параллельных шинах. При малых зазорах между проводниками и большой длине проводников растет влияние паразитных емкостей между ними, быстрое изменение уровня напряжения в одном проводнике вызывает появление ложного импульса в соседних. Рост тактовых частот на шинах сегодня ограничивает применение параллельного интерфейса в основном только внутри кристалла.

Компенсация снижения производительности при переходе от параллельного интерфейса к последовательному идет за счет роста частоты синхронизации.