-
Параллельный и последовательный ввод-вывод. Сравнительная оценка, достоинства и недостатки.
Организация ввода/вывода компьютера
USB, Bluetooth, RS-232(COM-порт)
Хранение данных
Запоминание
УУ (устройство управления) предназначено для управления процессора и ЭВМ в целом. Исходной информацией для УУ является код команды, определяющий действие процессора и ЭВМ. Команда выполняется по машинным тактам, из которых складываются машинные циклы. Время выполнения одного такта определяется частотой тактового генератора (ТГ). Минимальное время выполнения одной команды – один цикл. Минимальное время выполнения одного цикла – один такт.
АЛУ (арифметико-логическое устройство) служит для арифметической и логической обработки данных.
Канал В/В (Канал ввода/вывода) - самостоятельные в логическом отношении устройства, которые работают под управлением собственных программ, находящихся в памяти.
ВУ (внешние устройства) представляют собой, совокупность дополнительных устройств персонального компьютера, расширяющих его функционал.
По способу обмена данными каналы ввода-вывода делятся на два типа:
-
параллельные;
-
последовательные.
Как следует из названия, параллельный канал отправляет за раз машинное слово, состоящее из нескольких бит. Параллельный канал — самый простой способ обмена данными, так как не требует сложных схемотехнических решений. В самом простом случае каждый бит машинного слова отправляется по своей сигнальной линии, а для обратной связи используются две служебные сигнальные линии: Данные готовы и Данные приняты.
Параллельные каналы, на первый взгляд, отлично масштабируются: больше сигнальных линий — больше бит передается за раз и, следовательно, выше пропускная способность. Тем не менее, из-за увеличения количества сигнальных линий между ними возникает интерференционное взаимодействие, приводящее к искажению передаваемых сообщений.
Параллельное соединение обладает рядом недостатков, одним из которых является фазовый сдвиг сигнала, из-за чего длина параллельных каналов, ограничена. Проблема в том, что, хотя 8- и 16-разрядные данные одновременно пересылаются передатчиком, из-за задержек одни биты прибывают в приемник раньше других. Следовательно, чем длиннее кабель, тем больше время задержки между первым и последним прибывшими битами на принимающем конце. Этот эффект называют перекосом сигнала; он не дает возможности использовать длинные кабели, а также высокие тактовые частоты. Способность сигнала достигать на втором конце провода определенного напряжения с небольшими колебаниями в течение короткого промежутка времени называют флуктуацией.
Если кратко
Достоинства параллельного интерфейса
• Самая высокая СКОРОСТЬ обмена информации (по сравнению с последовательным интерфейсом)
• Простота реализации (Каждому сигналу выделяется своя линия)
Недостатки параллельного интерфейса
• Большое количество проводников
• Большие габариты устройств связи
• Высокая цена оборудования передачи данных
Последовательные каналы — противоположность параллельным. Отправка данных происходит по одному биту за раз, что сокращает общее количество сигнальных линий, но усложняет контроллер ввода-вывода. Контроллер передатчика получает машинное слово за раз и должен передавать по одному биту, а контроллер приемника в свою очередь должен получать биты и сохранять в том же порядке. Малое количество сигнальных линий позволяет без помех увеличивать частоту передачи сообщения.
Последовательная шина позволяет единовременно передавать 1 бит данных. Благодаря отсутствию задержек при передаче данных значительно увеличивается тактовая частота.
Еще одно преимущество последовательного способа передачи данных — возможность использования только одно- или двухпроводного канала, поэтому помехи, возникающие при передаче, очень малы, чего нельзя сказать о параллельном соединении.
Стоимость параллельных кабелей довольно высока, поскольку провода, предназначенные для параллельной передачи, не только используются в большом количестве, но и специальным образом укладываются, чтобы предотвратить возникновение помех, а это весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Кабели для последовательной передачи данных, напротив, очень дешевые, так как состоят из нескольких проводов и требования к их экранированию намного ниже, чем у используемых для параллельных соединений.
Если кратко
Достоинства последовательного интерфейса
-
Минимальное количество линий связи (проводов)
-
Экономичность
-
Неограниченная разрядность передаваемых данных.
Недостатки
-
Необходимость синхронизации между приемником и передатчиком
Принцип последовательной передачи данных
Для последовательной передачи цифровых данных существует три формы связи:
а) симплексная связь предполагает наличие одного передатчика и одного приемника; информация передается в одном направлении, связь осуществляется через отдельную пару проводов;
б) полудуплексная связь допускает двунаправленную передачу данных, но не одновременно; связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов;
в) дуплексная связь обеспечивает одновременную двунаправленную передачу данных, а связь осуществляется также по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов.
Для каждой из указанных выше форм связи необходимо, чтобы приемное устройство было готово принять и идентифицировать каждый набор данных, переданный передатчиком. Существуют два способа решения этой задачи. При асинхронной передаче каждому пакету данных предшествует старт-бит, а по окончании передачи этого пакета данных следует стоп-бит. Таким образом, приемник четко определяет начало и конец сообщения. Однако из-за необходимости постоянной проверки старт- и стоп-битов скорость передачи при данном виде связи ограничена и, как правило, не превышает 1200 бит/с.
Асинхронная передача используется в условиях неуверенного приема и высокого уровня помех. Синхронная передача не требует старт- и стоп-битов, передатчик и приемник синхронизированы. Начало приема-передачи данных предварительно синхронизируется синхроимпульсом, а затем каждое слово пакета данных распознается как блок из семи или восьми бит. Синхронная передача данных может обеспечивать скорость более 1200 бит/с и наиболее часто применяется для передачи таких потоков данных, как программные файлы.
Современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным интерфейсом RS-232C могут иметь также в своем составе подсистему последовательного ввода-вывода на базе интерфейса RS-485. Программируемые логические контроллеры большинства производителей в качестве средств организации территориально-распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS-422А/RS-485.
RS-232C – широко распространенный стандартный последовательный интерфейс. Он может быть использован для синхронной передачи данных со скоростью до 20 000 бит/с на расстояние до 15 метров; на более длинные дистанции скорость передачи уменьшается. интерфейс RS-449 – это более поздний стандарт, он обладает улучшенными по сравнению с RS-232 характеристиками по скорости и расстоянию передачи; здесь достижима скорость до 10 000 бит/с на расстояние до 1 км. Уровни напряжения, соответствующие стандарту RS-232, составляют +12 В для логического “0“ и –12 В для логической “1“. интерфейс RS-232 является в настоящее время стандартным для com-портов персональных компьютеров
Интерфейс RS-485 (EIA–485) – один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи (канал связи + способ передачи сигнала).
Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе, действующей на оба провода линии одинаково. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводки на этот провод могут исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов общих точек как дополнительный источник искажений. При дифференциальной передаче таких искажений не происходит, поскольку в витой паре наводка на оба провода одинакова. Таким образом, потенциал в одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.
Временная диаграмма последовательной передачи данных
Принцип параллельной передачи данных
Принцип действия Параллельная связь означает, что биты пересылаются и передаются не один за другим, а все 8 бит (или иначе байт) одновременно (параллельно) или, точнее, друг возле друга. Такие параллельные связи имеют место не только при одноименных интерфейсах, но и внутри общей системы PC, например, в шине. При этом здесь принципиальным становится понятие разрядности шины.
Принцип параллельной передачи данных становится очевидным, если посмотреть на кабель, который подсоединен к разъему параллельного интерфейса, например, на кабель принтера. Если сравнить этот кабель с кабелем мыши (последовательным), то заметно, что он толще. Дело в том, что кабель для параллельной передачи данных должен, как минимум, содержать восемь проводов, каждый из которых предназначен для транспортирования одного бита.
В отличие от последовательной передачи данных, параллельная передача, как правило, однонаправленная, т. е. данные передаются только в одном направлении.