19. Особенности параллельных интерфейсов

Одной из характеристик аппаратных интерфейсов является разрядность слова данных, которая позволяет делить интерфейсы на последовательные, последовательно- параллельные и параллельные. От этой характеристики зависит стоимость аппаратуры и кабельного соединения, а также производительность интерфейса, его помехозащищенность. Последовательный интерфейспредполагает для передачи данных в одном направлении единственную сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. В параллельном интерфейсе для передачи данных в одном направлении используется несколько линий (8, 16, 24, 32, 64). Примеры параллельных интерфейсов: ISA, ATA, SCSI, PCI, IEEE 1284/Centronics. С понятием параллельного интерфейса соседствуют такие понятия, как шина и магистраль.

Шина- совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению.

Магистраль- совокупность всех линий аппаратного интерфейса. Выделяются две магистрали: информационного канала и управления информационным каналом. По информационной магистрали передаются коды адресов, команд, данных, состояния. Аналогичные наименования имеют соответствующие шины интерфейса.

Шины адресапредназначены для выборки в магистрали узлов устройства, ячеек памяти. Для логической адресации в основном используется двоичный код. В некоторых интерфейсах применяется позиционное или географическое кодирование, при котором каждой позиции (месту) выделяется отдельная линия выборки. В этом случае используется термин "географическая адресация".

Шины данных используются для передачи в основном двоичных кодов. Как правило, в параллельных интерфейсах шины данных кратны байту (8, 16, 24, 32 разряда).

Шины состояния используются для передачи сообщений, описывающих результат операции на интерфейсе или состояния устройств сопряжения. Коды формируются в ответ на действие команд или отображают состояние функционирования устройств, таких, как готовность, занятость, наличие ошибки и т. д. В наиболее стандартизованных интерфейсах разряды состояния унифицированы для любых типов устройств, в других - носят рекомендательный характер или отсутствуют.

В большинстве параллельных интерфейсов коды адресов, данных, команд, состояний передаются по шинам интерфейса в режиме временного мультиплексирования сигнала по одним и тем же линиям с использованием дополнительных линий идентификации типа передаваемой информации. В таком случае их называют последовательно-параллельными интерфейсами. При этом существенно сокращается число линий информационной магистрали, однако происходит снижение быстродействия передачи информации.

Магистраль управления информационным каналом по функциональному назначению делится на следующие шины: управления обменом, передачи управления, прерывания, управления режимом работы, специальных сигналов.

Шина управления включает в себя линии синхронизации передачи информации. В зависимости от используемого принципа обмена (синхронного, асинхронного) число линий может меняться. Кроме того, данная шина используется для управления операциями на магистрали. По функциональному назначению различают следующие команды: адресации, управления обменом информацией, изменения состояния и режимов работы. Адресные команды попользуются для задания режимов адресации: вторичной, широковещательной, групповой и г.п. Наиболее распространенными командами являются: чтение, запись, конец передачи, запуск.

Шины передачи управления используется для реализации операций приоритетного занятия магистрали информационного канала (арбитража ресурсов шины).

Шина прерывания применяется в основном в системных интерфейсах. Устройство идентифицируется либо адресом источника прерывания, либо адресом программы обслуживания прерывания, так называемым вектором прерывания.

ТИины управления режимам работы и специальных управляющих сигналов содержит линии, обеспечивающие работоспособность интерфейса, в том числе приведение устройств в исходное состояние, контроль источников питания, контроль и службу времени и т. п.

Особенности параллельных интерфейсов:

• Высокая стоимость погонного метра магистрат! обусловлена большим количеством линий.

• Высокая скорость: удвоение количества линий для передачи данных способствует удвоению скорости канала. На практике это не совсем так. потому что присутствует разница в скорости распространения сигналов по парадлельным линиям, т. е. равное время прихода сигналов (битов) на приемной стороне. В итоге скорость параллельного интерфейса снижается до скорости передачи сигнала по самой его медленной линии.

• Ограниченная длина интерфейса, которая обычно составляет от нескольких метров до десятков метров и в редких случаях достигает сотни. Объясняется это перекрестными помехами, наводками в соседних линиях, возникающими при передаче данных. Такие физические эффекты уменьшают не только ддину кабеля:, но и скорость передачи данных по нему (для минимизации помех).

• Простота схемотехнической реализации. Параллельный интерфейс на стороне передатчика и приемника должен иметь параллельные порты (буферы- защелки) для чтения/записи данных с шины. В случае последовательного интерфейса необходимым является преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных, которые выполняют специализированные микросхемы (например. 1ГАКГ в случае интерфейса 11$-232). Кабели параллельных интерфейсов обычно имеют недорогую простую конструкцию, например, ленточную.

Широкое распространение параллельных интерфейсов связано с состоянием развития элементной базы в последней трети XX века. Тогда большая часть изделий базировалась на микросхемах малой и средней степени интеграции. Более простая реализация параллельного интерфейса по сравнению с последовательным выливалась в улучшение технических и экономических характеристик изделия. Кабельное соединение имело меньшую относительную стоимость. К настоящему времени получила развитие специальная элементная база. Порт интерфейса как последовательного, так и параллельного чаше всего может быть реализован на одной из специальных микросхем. Поэтому относительная стоимость кабельного соединения возросла. Применение последовательных интерфейсов стало более целесообразным на магистралях любой, но особенно большой длины. Таким образом, удешевление элементной базы, растуший спрос на высокоскоростную передачу данных через большие расстояния, общая тенденция в увеличении плотности информационных потоков на единицу объема (или веса) аппаратуры привели к лавинообразному росту рынка последовательных интерфейсов. В результате имеют место быть следующие факты:

• последовательный высокоскоростной обмен данными между узлами вычислительных систем/сетей с переходом к беспроводным технологиям связи:

• большие потоки данных внутри вычислительных модулей (платы) и внутри кристаллов (микроконтроллеры, системы на кристалле) передаются по параллельным интерфейсам.

Параллельные интерфейсы стали уходить в прошлое в результате наступления последовательных интерфейсов: IEEE 1284 уступил USB. параллельный ATA - SATA, SCSI — SAS.

С друтой стороны, идеология параллельных интерфейсов нашла свое проявление в современных технологиях беспроводной связи.

Параллельные интерфейсы в стенде SDK-1.1

В качестве примеров параллельных интерфейсов (а точнее, последовательно- параллельных) стенда SDK-1.1 можно назвать системную шину соединяющую микроконтроллер ADuC812 с внешней памятью программ и данных (SRAM) и ПЛИС! (см. Лекпию № 3): интерфейс подключения ЖКИ к ПЛИС.

Параллельный интерфейс LPT

Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера — отсюда и пошло его название LPT-nopm (Line Pini Тег - построчный принтер). Традиционный, он же стандартный. LPT-nopr называется стандартным параллельным портом (Standard Parallel Port. SPP), или SPP-мwpmoM, и является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 5) соответствуют интерфейсу Centronics. SPP-порт ориентирован на вывод данных, хотя с некоторыми ограничениями позволяет и вводить данные. Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с.

Существуют различные модификации LPT-порта - двунаправленный. ЕРР. E CP и другие, расширяющие его функциональные возможности, повышающие производительность и снижаюпще нагрузку на процессор. Поначалу они являлись фирменными решениями отдельных производителей, позднее был принят стандарт IEEE 1284.

К LPT-портам подключают принтеры, плоттеры, сканеры, коммуникационные устройства и устройства хранения данных, а также электронные ключи, программаторы и прочие устройства. Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами.

С внешней стороны порт имеет 8-битную шину данных. 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов, выведенные на разъем-розетку DB-25S. В LPT-порте используются логические уровни ТТЛ, что ограничивает допустимую длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует — схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Из-за этого порт является уязвимым местом компьютера, страдающим при нарушении правил подключения и заземления устройств. Поскольку порт обычно располагается на системной плате, в случае его «выжигания» зачастую выходит из строя и его ближайшее окружение, вплоть до выгорания всей системной платы. Перечислим шаги процедуры вывода байта по интерфейсу Centronics с указанием требуемого количества шинных операций процессора:

1. Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

2. Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (сигнал Busy). Эгот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

3. По получению готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается. Обычно, чтобы переключить только один бнт (строб), регистр управления предварительно считываете я, что к двум циклам IOWR добавляет еще один цикл IORD

Видно, что для вывода одного байга требуется 4-5 операций ввода-выв ода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда вытекает главный недостаток вывода через стандартный порт - невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт удается разогнать до скоростей 100-150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно для печати на лазерном принтере. Другой недостаток функциональный - сложность использования в качестве порта ввода.