Класифікація інтерфейсів

У літературі наводиться велика кількість способів класифікації інтерфейсів. Розглянемо найбільш типові.

За принципом побудови

Магістрально-модульні.

Перші інтерфейси інформаційних систем. Призначені, в основному, для складних вимірювальних і великих обчислювальних комплексів.

Перші інтерфейси являють собою шафи (по геометричних розмірах аналогічні телефонним і телекомунікаційним стійок. Має магістраль для передачі даних, до якої можуть приєднаються модулі, що і визначили назву інтерфейсів.

Пізніше з'явилися інтерфейси, аналогічні за принципом роботи, але мають інші розміри і призначення. Наприклад, за таким принципом будувалися перші системні інтерфейси персональних комп'ютерів.

Перевагою такого типу інтерфейсів є можливість об'єднання з відносно високою швидкістю відносно великого числа пристроїв.

Недоліки таких інтерфейсів є продовженням достоїнств. Одночасне підключення багатьох пристроїв з великою швидкістю призводить до складнощів у побудові інтерфейсів як на фізичному, так і на логічному рівнях.

В даний час інтерфейси такого типу поступово витісняються іншими інтерфейсами.

Приклади: КАМАК, VME, PCI.

Кабельні.

Спочатку з'явилися як доповнення до магістральної-модульним інтерфейсів і служили для зв'язку . Надалі придбали самостійне значення і стали широко застосовуватися в різних областях.

Кабельні інтерфейси являють собою, як правило, кабель для послідовного з'єднання на відносно великі відстані двох пристроїв або інших інтерфейсів. З деякою натяжкою до них можна віднести інтерфейси у вигляді шлейфу, що з'єднує два пристрої (начебто інтерфейсу LPT, раніше застосовувався для підключення принтерів). Сучасні варіанти кабельних інтерфейсів використовують як середовища волоконно-оптичні лінії зв'язку.

Перевагою кабельних інтерфейсів є їх простота, що дозволяє створювати досить дешеві інтерфейси з великою пропускною здатністю.

Недоліком кабельних інтерфейсів є можливість з'єднання тільки двох пристроїв, що обмежує можливість їх застосування.

Приклади: RS-232 і вся серія інтерфейсів RS.

Ієрархічні.

Сучасний принцип побудови інтерфейсів. Виник і став розвиватися в міру усвідомлення недоліків магістрально-модульних і кабельних інтерфейсів, а також під впливом розвитку мережевих технологій.

Ієрархічні інтерфейси являють собою якусь структуру, яку можна представити у вигляді графа, а точніше у вигляді спеціального графа без циклів - дерева. Гілками цього графа служать сполуки, що об'єднують два елементи. Ці сполуки можуть бути послідовними, аналогічними кабельним інтерфейсів, або паралельними, аналогічними магістралями магістрально-модульним інтерфейсів, але об'єднуючими тільки два пристрої. Вузлами цього графа служать комутуючі пристрої, що визначають порядок передачі інформації між різними гілками.

Перевагою таких інтерфейсів є можливість об'єднання великої кількості пристроїв, при цьому використовую сполуки, що об'єднують два елементи. Це дозволяє досягти великій швидкості інтерфейсу, при відносно невисокій його вартості.

Недоліком ієрархічних інтерфейсів є необхідність використання комутуючих пристроїв, однак, на увазі розвитку мікроелектроніки, цей недолік ставати не настільки суттєвий.

Такий принцип побудови використовується у всіх сучасних інтерфейсах, і поступово витісняє всі інші принципи.

Приклади: PCI Express, USB, комутований Ethernet.

Кільцеві.

Цей принцип побудови часто намагаються застосувати в перспективних інтерфейсах вже протягом тривалого часу.

Він також заснований на використанні сполук, які об'єднують два елементи, в даному випадку, в кільцеву структуру.

Кільцеві інтерфейси мають всім достоїнствами ієрархічних. У теж час, при використанні кільцевої структури можлива передача даних в одному напрямку, що спрощує одночасне використання інтерфейсу кількома пристроями. Також, кілька спрощуються комутуючі елементи інтерфейсу. У загальному випадку це повинно підвищити продуктивність.

Однак, при використанні цього принципу побудови збільшуються вимоги до підключається до інтерфейсу пристроїв, які повинні знати структуру інтерфейсу.

Інтерфейси, побудовані за кільцевим принципом, мали теоретично хорошими характеристиками, проте, в даний час, широкого поширення не отримали.

Приклади: SCI, TokenRing.

За призначенням

Системні.

Системними називаються центральні інтерфейси комп'ютерів.

Перші системні інтерфейси будувалися за магістрально-модульним принципом. В даний час спостерігається перехід до використання ієрархічного принципу.

У міру появи нових, більш швидких інтерфейсів, для можливості використання застосовувалися елементів обчислювальних систем і забезпечення зворотної сумісності, старі системні інтерфейси можуть використовуватися як інтерфейси периферійних пристроїв.

Приклади: ISA, PCI, HyperTransport.

Внутрішні.

Внутрішні інтерфейси застосовуються для з'єднання елементів обчислювальних систем, таких як вінчестери, оперативна пам'ять, приводи оптичних дисків та інших, з системними інтерфейсами і між собою.

Такі інтерфейси зазвичай будуються за магістрально-модульним принципом. Поступовий перехід на ієрархічний принцип побудови також притаманний внутрішнім інтерфейсів, але здійснюється не так швидко, як для інших типів інтерфейсів.

Приклади: ATA, SCSI, SDRAM.

Периферійні.

Периферійні інтерфейси служать для підключення периферійних пристроїв, таких як принтери, сканери, мобільні телефони та інших.

Ранні інтерфейси використовували кабельний принцип побудови, нові периферійні інтерфейси будуються за ієрархічним принципом.

Приклади: RS-232, USB, Bluetooth.

Мережні.

Мережеві інтерфейси служать для підключення комп'ютера до обчислювальних мереж.

Їх призначення передбачає ієрархічний або кільцевої принцип побудови.

В даний час інтерфейс Ethernet практично є стандартним інтерфейсом для підключення комп'ютерів до локальних обчислювальних мереж.

Приклади: Ethernet, TokenRing, FDDI.

Приладові.

Приладові інтерфейси служать для забезпечення взаємодії окремих мікросхем. Вони з'явилися в результаті розвитку мікроелектроніки, в слідстві якого мікросхеми стали виконувати досить складні функції.

Ці інтерфейси діють в рамках друкованих плат і будуються, як правило, по магістрально-модульним принципом.

Приклади: SPI, I2O.

За способом передачі інформації

Паралельні.

При паралельному способі передачі інформації дані передаються одночасно по декількох лініях зв'язку.

Використання декількох ліній зв'язку є найпростішим і дієвим способом підвищити пропускну здатність. У теж час, це значно ускладнює використання інших способів підвищення продуктивності інтерфейсів, наприклад, виникають проблеми з підвищенням тактової частоти. Детальніше проблеми з паралельними лінями зв'язку будуть розглянуті далі.

В даний час відбувається поступовий перехід до последовательнйм інтерфейсів. У теж час, в деяких випадках, наприклад, у випадку інтерфейсів оперативної пам'яті, паралельні інтерфейси утримують свої позиції.

Приклади: KAMAK, PCI, SDRAM.

Послідовні.

При послідовному способі передачі інформації дані в одному напрямку передаються по одній лінії зв'язку.

Потрібно розуміти, що послідовний інтерфейс може містити досить велике число ліній зв'язку. Є лінії зв'язку для передачі в двох напрямках. Один сигнал може передаватися по декількох лініях зв'язку (так званий диференційний сигнал). Може бути велике число керуючих сигналів і сигналів харчування. Однак, інтерфейс все одно залишається паралельним, якщо в одному напрям в один момент часу передається одна порція даних.

Через проблеми паралельних інтерфейсів в даний час послідовні отримують все більше поширення.

Приклади: RS-232, USB, Serial ATA

За принципом обміну інформацією

Синхронні.

У синхронних інтерфейсах обмін даними і командами відбувається через строго певні інтервали часу - такти.

Гідність синхронних інтерфейсів полягає в тому, що час всіх подій відомо, і не потрібно витрачати зайвих зусиль, передавати зайві команди для визначення моменту передачі даних, а також не потрібно залишати запас часу на передачу додаткових команд.

Недоліком таких інтерфейсів є необхідність у синхронізації. Як правило, для цього використовується окрема лінія зв'язку, по якій передаються тактові імпульси. Особливо скрутно синхронізувати інтерфейси між географічно віддаленими елементами інформаційних систем.

В цілому, синхронні інтерфейси забезпечують більшу пропускну здатність і поступово витісняють в комп'ютерах асинхронні.

Приклади: KAMAK, PCI, SDRAM, синхронний режим RS-232.

Асинхронні.

В асинхронних інтерфейсах не використовується синхросигнал. Початок передачі зазвичай визначається за допомогою спеціальних сигналів (наприклад, стартових бітів).

Перевага асинхронних інтерфейсів у відсутності спеціальних ліній синхронізації.

Їх недоліком є ​​наявність спеціальних сигналів для синхронізації, що знижує пропускну здатність інтерфейсу.

Асинхронний спосіб обміну інформацією застосовується в інтерфейсах, що з'єднують географічно рознесені об'єкти, оскільки в цьому випадку проводити додаткову лінію синхронізації. Тому, всі мережеві інтерфейси використовують цей спосіб обміну інформацією.

Приклади: VME, Ethernet, асинхронний режим RS-232.

По режиму передачі інформації

Дуплексні.

При дуплексному режимі передачі інформації дані передаються одночасно в двох напрямках.

Це найшвидший режим, але він вимагає наявності двох каналів передачі інформації.

Приклади: Комутований Ethernet, RS-232.

Напівдуплексні.

При напівдуплексному режимі передачі інформації дані у двох напрямках передаються по черзі.

Приклади: Ethernet на концентраторах, PCI.

Симплексні.

При симплексному режимі передачі інформації дані передаються в одному напрямку.

Приклади: радіомовлення, телемовлення.

За середовища передачі інформації

Провідні.

У дротових інтерфейсах використовується фізичне середовище для передачі інформації у вигляді електромагнітних хвиль.

Середовище може являти собою кабель з металевим провідним матеріалом (найчастіше мідь). Приклади: кручена пара, доріжки друкованих плат, USB-кабель.

При передачі електромагнітної хвилі у видимому спектрі частот в якості середовища використовують зроблені на основі кремнію, так звані, волоконно-оптичні лінії зв'язку.

Бездротові.

Електромагнітні хвилі можуть передаватися і без середовища. Це можуть бути електромагнітні хвилі як у видимому діапазоні частот (наприклад, інтерфейс інфрачервоного порту IrDA), так і в області радіочастот (наприклад, інтерфейс BlueTouth).

Компоненти інтерфейсів

Інтерфейси різняться між собою, але можна виділити деякі загальні елементи всіх інтерфейсів. Для спрощення розгляду, починаючи з перших інтерфейсів, було прийнято розділяти компоненти інтерфейсів на фізичний і логічний інтерфейс.

Фізичний інтерфейс

Лінія зв'язку - це фізичне середовище для передачі інформації. Цей термін може застосовуватися як для однієї лінії для передачі даних, так і для всіх ліній інтерфейсу. Що саме мається на увазі потрібно розуміти з контексту, далі під лінією зв'язку будемо розуміти середовище для передачі одного біта інформації.

Канал зв'язку - це сукупність приймача, передавача і лінії зв'язку. Також, як і у випадку терміна лінії зв'язку, канал зв'язку можна розуміти в широкому і вузькому сенсах. Далі під каналом зв'язку будемо розуміти як сукупність приймача, передавача і середовища для передачі одного біта інформації.

Група ліній зв'язку - це сукупність лінії зв'язку виконують аналогічні функції. Наприклад, шина даних - це група ліній зв'язку для передачі даних. Терміна «група каналів зв'язку» зазвичай не вводять.

Магістраль (шина, тракт) - це сукупність груп ліній зв'язку, що забезпечує взаємодію пристроїв і передачу інформації і утворює, таким чином, інтерфейс.

Крейт (шасі) - шафа, в якому розташовується магістраль інтерфейсу. Зазвичай сумісний зі стандартами для телефонних і телекомунікаційних стійок. Багато інтерфейси, наприклад, інтерфейси персональних комп'ютерів, не мають крейта, а для розміщення магістралі використовують корпус системного блоку або материнську плату.

Станція - місце в Крейти на магістралі, до якого може приєднатися модуль. Для сучасних інтерфейсів цей термін може мати дещо інше значення.

Модуль - пристрій, що поміщається в станцію, що служить для підключення елемента обчислювальної системи до магістралі інтерфейсу.

Роз'єм - аналогічний терміну станція, але застосовується не тільки по відношенню до магістральної-модульним інтерфейсів.

Логічний інтерфейс

Протокол - це алгоритм або правила за яким повинні взаємодіяти елементи інформаційної системи. Ці правила можуть вказувати в які моменти часу які сигнали повинні видавати пристрої і в які моменти часу і яку інформацію пристрій повинен передавати.

Повідомлення - це будь-яка інформація, передана між елементами інформаційної системи. Інформація може передаватися у вигляді сигналів по окремих лініях зв'язку або у вигляді набору двійкових чисел.

Команда - це повідомлення, що передає інформацію про необхідність вчинити будь-яку дію. Наприклад, команда може повідомляти пристрою про те, що йому необхідно передати певні дані.

Переривання - це повідомлення, що передає інформацію про завершення якої-небудь дії. Наприклад, пристрій одержав команду на читання даних. Для читання цих даних необхідно якийсь час. Після того, як дані підготовлені він повідомляє за допомогою переривання пристрою, який послав команду читання, про те, що дані готові.

Транзакція - це набір атомарних операцій, що переводить інформаційну систему з одного коректного стану в інший. Наприклад, для читання даних з пам'яті потрібно послати команду читання, передати адресу терміни комірки пам'яті, адреса стовпця, повідомити про завершення операції читання. Все це є атомарними (неподільними) операціями, а їх набір призводить до читання даних. Якщо після команди читання не проводити інші операції, то система перейде в некоректне стан - пристрій пам'яті буде очікувати адреса рядка і не буде реагувати на інші команди.

Майстер (активний елемент, ведучий, запитувач) - це один з елементів інформаційної системи, який ініціює та / або управляє взаємодією з іншим елементом.

Слуга (пасивний елемент, ведений, виконавець) - це елемент інформаційної системи який взаємодіє і / або управляється майстром.

Арбітраж - це процедура визначення порядку використання ресурсів інтерфейсу. В якості такого ресурсу зазвичай виступає магістраль. Існують різні методи арбітражу, які будуть розглянуті пізніше.

Адресація - це процедура визначення веденого пристрою.

Стек інтерфейсу

Сучасні інтерфейси інформаційних систем все більше нагадують мережеві технології. З причини їх складності розробники не обмежують фізичним і логічним інтерфейсом, а використовують цілий стек протоколів. На даний момент для інтерфейсів не існує стандарту, аналогічного семиуровневой моделі взаємодії відкритих систем. Кожен протокол має свої рівні, і виділяти загальні рівні для всіх інтерфейсів не має сенсу. Стеки протоколів окремих інтерфейсів слід розглядати при вивченні конкретного інтерфейсу.

Проблеми передачі інформації

Різні рішення, застосовувані в інтерфейсах, їх відмінності між собою, визначаються призначенням інтерфейсів і методами подолання різних проблем пов'язаних з передачею інформації та організацією взаємодії між різними елементами інформаційних систем. Розглянемо проблеми, що виникають при передачі інформації.

Лінія зв'язку

Для початку проаналізуємо особливості окремої лінії зв'язку, без приймача і передавача.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ)

Загальний вигляд.

Лінії зв'язку прийнято представляти лінійним ланкою. Це означає, що вихідний сигнал, що виходить при подачі на лінію зв'язку декількох сигналів, дорівнює сумі вихідних сигналів, які б вийшли при подачі на вхід вхідних сигналів окремо.

Це дозволяє описати лінії зв'язку амплітудно-частотної характеристикою (АЧХ). На цій характеристиці по осі абсцис (f) відкладаються значення частот, а по осі ординат (A) загасання сигналу на це частоті.