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 для связей вне кристалла.

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 проводниках. 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.