Проэктирование.Вопросы+книга / 43

Наконец, при операциях прямого доступа задатчиком является ВУ (конкретнее, контроллер прямого доступа), а исполнителем – ОП.

Другим важным принципом, заложенным в структуру магистрального интерфейса, является принцип запроса-ответа (квитирования): каждый управляющий сигнал, посланный задатчиком, подтверждается ответным сигналом исполнителя.

При отсутствии ответного сигнала исполнителя в течение заданного интервала времени (обычно 10-20 мкс, так называемый тайм-аут) задатчик фиксирует ошибку обмена (исполнитель отсутствует, неисправен, выключен) и прекращает данную операцию. Практически квитирование обычно реализуется так, как показано на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Реализация квитирования

Сигнал, установленный задатчиком на какой-либо линии магистрали, распространяется по ней и через некоторое время доходит до исполнителя. Последний, получив сигнал задатчика, устанавливает на какой-то другой линии магистрали ответный сигнал, который также начинает распространяться по магистрали. Через некоторое время он доходит до задатчика, который, получив этот сигнал, и, удостоверившись тем самым в том, что исполнитель присутствует и нормально функционирует, снимает свой сигнал. Исполнитель, зафиксировав прекращение действия сигнала задатчика, снимает свой сигнал, и процесс обмена сигналами заканчивается. Такой принцип обмена сигналами позволяет выполнять операции на магистрали с максимально возможной для каждой пары «задатчик-исполнитель» скоростью при высокой надежности обмена.

Третья важная особенность архитектуры рассматриваемых ЭВМ заключается в идентичности подключения к системному интерфейсу всех устройств ЭВМ, включая ОП и ЦП.

В составе магистрали отсутствуют специальные линии или сигналы управления ВУ. Основным средством обмена информацией с ВУ являются упомянутые выше операции чтения и записи.

Идентичность подключения к магистрали ОП и ВУ определяет возможность использования в процессе управления ВУ весь набор команд процессора: пересылки, анализа содержимого, логических и арифметических операций.

Схемы связи магистрали ЭВМ с ВУ (интерфейсы ВУ) имеют в своем составе регистры, через которые и происходит передача информации. Каждому такому регистру (а число их в зависимости от сложности интерфейса может колебаться от 2 до 15-20) присваивается определенный адрес, точно так же, как и ячейкам ОП. При этом адреса регистров ВУ и ячеек ОП не перекрываются.

71

Системная магистраль «I/O Channel» IBM PC/AT

Магистраль AT-bus поддерживает порты ввода-вывода (ПВВ) в диапазоне адресов от 100 до 3FF (шестнадцатеричных), 24-разрядное пространство памяти, 8- и 16-разрядные передачи данных, прерывание, каналы ПДП, генерацию тактов ожидания ВВ, регенерацию системной памяти от ЦП.

Магистраль объединяет восемь 62-контактных и шесть 36-контактных двухрядных соединителей. Ряды 62-контактного соединителя имеют обозначения A и B, а 36-контактного – C и D. Обозначение, функциональное назначение и распределение сигналов по контактам показано в таблице 8.1.

Во время обращения к памяти или ПВВ шина адреса SA0-SA19 возбуждается в течение действия строба адреса BALE и должна быть зафиксирована в адресном регистре адресуемого модуля. Старшие разряды адреса LA17-LA23 удерживаются в цикле шины и не требуют запоминания в регистре.

Сигнал SBHE возбуждается при передаче данных в старшем байте шины

SD8-SD15. Сигналы SMEMR, MEMR, IOR, SMEMW, MEMW, IOW возбужда-

ются МП или каналом ПДП и идентифицируют соответствующую операцию памяти или ПВВ.

Сигналы MEMR и MEMW возбуждаются при обращении ко всей памяти, а сигналы SMEMR и SMEMW – при обращении к младшей области памяти емкостью 1 Мбайт.

Линии MEM CS16 и I/O CS16 сигнализируют системной плате о том, что выбранный модуль памяти или ПВВ осуществляет цикл передачи 16-разрядных данных с одним тактом ожидания. Эти сигналы должны вырабатываться дешифратором старших разрядов адресов LA17-LA23.

Линия OWS используется для сообщения МП, что текущий цикл передачи выполняется без тактов ожидания. Сигнал должен вырабатываться дешифратором адреса выбранного устройства.

При возникновении во время передачи на магистрали ошибки четности возбуждается линия I/O CHCK.

Для работы с низкоскоростными устройствами используется сигнал готовности I/O CHRDY, блокируя который устройство переводит МП в такты ожидания до тех пор, пока оно не будет готово передать информацию. Задержка выработки этого сигнала не должна превышать 2,5 мкс.

Линии IRQ3-IRQ15 используются для передачи запросов прерывания от портов ВВ к МП. При этом в группе высокого приоритета высший приоритет имеет IRQ9, а в группе низкого приоритета – IRQ3. Линия прерывания IRQ13 используется системной платой и не выводится на магистраль. Прерывание IRQ8 используется для генератора реального времени.

Запросы на обслуживание DRQ0-DRQ7 и сигналы линии подтверждения DACK0-DACK7 используются ПУ или МП ввода-вывода для получения ПДП или управления системой. Запрос DRQ0 имеет высший приоритет. Запрос DRQ4 используется системной платой и не выводится на магистраль.

Линия T/C используется для сообщения о выполнении последнего цикла при передаче массива данных по ПДП.

72

73

По линиям AEN МП или другое устройство сигнализирует каналу ПДП о том, что шины адреса, данных и управления магистрали свободны и могут быть использованы для выполнения циклов передачи ПДП. Линию MASTER применяют для удержания системной магистрали МП ввода-вывода в режиме ПДП. Длительность этого сигнала не должна превышать 15 мкс, чтобы блокировка регенерации не привела к разрушению информации в динамической памяти.

Сигналы CLK и OSC – синхроимпульсы скважностью 2 и частотой соответственно 6 и 14,31818 МГц.

Системный сброс RESET DRV используется для сброса и инициализации системы после выключения питания.

Сигнал Refresh вырабатывается МП для инициализации цикла регенерации динамической памяти. Сигналы на магистрали имеют уровни ТТЛ. В качестве приемников используются маломощные ТТЛШ.

Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем

Современные магистрально-модульные мультипроцессорные системы (ММС) базируются на интерфейсах, которые по архитектуре и функциональным возможностям значительно отличаются от системы интерфейсов ЭВМ типа «Общая шина» (первое поколение) и поэтому часто называются интерфейсами второго поколения или интерфейсными системами.

Интерфейс в системах рассматривается как способ организации средств передачи информации между отдельными подсистемами, регламентирующий дисциплину работы и эффективность функционирования системы в целом. Интерфейсы содержат несколько магистралей, часть которых обеспечивает высокое быстродействие при взаимодействии модулей внутри блоков, а другая часть

– обмен информацией между блоками.

Структура ММС

Общая архитектура ММС на базе интерфейсной системы содержит (рис. 8.3) несколько сегментов, каждый из которых включает одну или несколько машин, имеющих в своем составе одноплатную микроЭВМ и платы, расширяющие ее возможности и подсоединяемые посредством локальной магистрали (ЛМ). Несколько машин, входящих в состав одного сегмента, связываются между собой по системной магистрали (СМ), выполненной в виде объединительной печатной платы. Отдельные сегменты соединяются друг с другом последовательной магистралью (ПМ) или через сегментатор (СГМ).

Основной магистралью ММС, реализующей мультипроцессорную работу и объединяющей большинство модулей сегмента, является СМ. Самой быстродействующей магистралью, используемой обычно для расширения памяти процессоров, является ЛМ. ЛМ имеет уменьшенное адресное пространство, меньшую нагрузочную способность по сравнению с СМ и может обслуживать один или два задатчика.

Работа магистралей основывается на принципе «задатчик-исполнитель». Несколько задатчиков используют магистрали с разделением времени в соответствии с заданным алгоритмом арбитража.

74

Максимальная длина СМ 50 см (число объединяемых модулей до 20), длина ЛМ – 8...12 см (число модулей до 6), длина ПМ (кабельная линия) – до 10 м.

Рис. 8.3. Общая архитектура ММС: Пр – процессор; ЗУ – запоминающее устройство; ВВ – ввод-вывод

Интерфейсы периферийного оборудования

Использование различных функциональных классов периферийных устройств, отличающихся физическими принципами работы, быстродействием, уровнями сигналов, обусловило унификацию интерфейсов ПУ соответствующих функциональных классов.

Интерфейсы ПУ разделяются на две большие категории: 1) радиального и 2) магистрального подключения. В свою очередь, интерфейсы радиального и магистрального вида могут быть локального и удаленного, последовательного и параллельного подключения.

Интерфейс ИРПР

Для подключения к ЭВМ стандартного периферийного оборудования (ал- фавитно-цифровых терминалов, устройств печати, перфоленточных устройств ввода-вывода и др.) используется радиальный параллельный интерфейс (ИРПР). В зависимости от типа подключаемого оборудования конкретная реализация интерфейса может иметь те или иные отличия.

Этот интерфейс можно также использовать и для сопряжения с ЭВМ нестандартного измерительного или управляющего оборудования, а также для связи ЭВМ при организации двух- и многомашинных комплексов.

75

Функциональные характеристики ИРПР основаны на следующих принципах: метод передачи данных между источником (И) и приемником (П) не зависит от типа устройства; на передаваемые данные ограничения не накладываются. Передача данных осуществляется между одним источником и одним приемником. Для дуплексного режима обмена требуется два сопряжения. Набор линий сопряжения приведен в таблице 8.2.

Линия Э служит для защиты от помех сигналов управления и передаваемых данных. Линия соединяется с металлическим корпусом устройства, подключенным к общей земле.

Линия ОВ подсоединяется к точке, принятой в данном устройстве за нулевую и изолированной от металлического корпуса.

Линия ГИ (готовность источника)

Логическая «1» на линии ГИ означает, что источник работоспособен и готов к передаче информации под управлением сигналов СТР и ЗП. Логический «0» на линии ГИ означает, что источник не работоспособен и состояние других линий должно игнорироваться приемником. Сигнал ГИ не зависит от состояния сигнала ГП.

Линия ГП (готовность приемника)

Логическая «1» на линии ГП означает, что приемник работоспособен и готов к приему информации под управлением сигналов СТР и ЗП. Логический «0» на линии ГП означает, что приемник не работоспособен и состояние других линий должно игнорироваться источником. Сигнал ГП не зависит от состояния сигнала ГИ.

76

Линия СТР (строб источника)

Логическая «1» на линии СТР означает, что на линиях данных комбинация сигналов действительная при логической «1» на линии ЗП. Логический «0» на линии СТР означает, что на линиях данных комбинация сигналов может быть недействительной. Сигнал СТР может перейти из логического «0» в логическую «1» лишь после того, как сигнал ЗП перешел в логическую «1». Сигнал СТР может перейти из логической «1» в логический «0» лишь после того, как сигнал ЗП перешел в логический «0».

Линия ЗП (запрос приемника)

Логическая «1» на линии ЗП означает, что приемник запрашивает новую информацию от источника. Логический «0» на линии ЗП означает, что приемник не готов к приему нового сигнала, но принял предыдущий символ, если он был. Приемник не должен принимать данные, если сигнал СТР не перешел в логическую «1».

Когда приемник принял символ, он может установить сигнал ЗП в логический «0» в любой момент времени. Приемник должен держать линию ЗП в логическом «0» до тех пор, пока не появится логический «0» на линии СТР.

Сигнальные линии

Линии данных используются для передачи до 16 разрядов данных от источника. Контрольные разряды КР0 и КР1 устанавливаются такими, чтобы сумма единиц в соответствующем байте данных была нечетной.

Обмен данными

Обмен данными происходит в жестко обусловленном режиме «запросответ». Источник может изменить значение сигнала СТР только тогда, когда приемник изменил значение сигнала ЗП. Приемник может изменить значение сигнала ЗП только тогда, когда источник изменил значение сигнала СТР. Временная диаграмма обмена в ИРПР приведена на рис. 8.4. Устройство, принимающее сигналы, должно компенсировать разницу в задержке принимаемых сигналов.

Рис. 8.4. Временная диаграмма обмена в ИРПР: Тк – время задержки кабеля; Ти – восприятия сигнала источником; Тп – восприятия сигнала приемником; Т1, Т3 – выполнения операции источником;

Т2, Т4 – выполнения операции приемником

77

Техническая реализация

Тип, требования к физической реализации, назначение контактов разъема для выхода на ИРПР не регламентируются. Интерфейсный кабель должен иметь волновое сопротивление 110 ± 20 Ом.

Уровни сигналов должны соответствовать уровням для микросхем типа ТТЛ. Используемая логика – отрицательная. В качестве передатчиков должны применяться микросхемы с открытым коллекторным выходом с допустимым током нагрузки не менее 40 мА. Входной ток приемника не более 1,6 мА.

Передатчик не должен выходить из строя при:

1)коротком замыкании между сигнальной линией и линией ОВ, а также между двумя сигнальными линиями;

2)работе на кабель, отсоединенный на другом конце, или при отсоединенном кабеле;

3)работе на включенный или выключенный приемник непосредственно или через кабель.

Приемник должен:

1)воспринимать обрыв или отсутствие кабеля, а также выключенное питание передатчика как логический «0»;

2)не выходить из строя при соединении с включенным или выключенным передатчиком при любом его логическом состоянии.

Интерфейс должен быть работоспособным при использовании кабеля длиной до 15 м.

Интерфейс ИРПС

Когда источник или приемник информации удален от ЭВМ на значительное расстояние, применяется последовательная передача. Прежде чем начать последовательную передачу, необходимо выполнить преобразование данных из параллельной формы в последовательную.

Вначале данные загружаются в сдвиговый регистр. Содержимое регистра сдвигается на один разряд при поступлении каждого тактового импульса. Процесс преобразования данных из параллельной формы в последовательную представлен на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Передача данных по линии последовательной передачи: СД – сдвиговый регистр; СР – старший разряд; МР – младший разряд; ГТИ – генератор тактовых импульсов

При приеме необходимо выполнить действия, обратные по отношению к описанным выше. Данные вводятся бит за битом в сдвиговый регистр, затем из него в параллельной форме передаются в ЭВМ.

78

Устройство, обеспечивающее преобразование данных из параллельной формы в последовательную и обратное преобразование, называют универсальным асинхронным приемопередатчиком (УАПП). Приемопередатчик выполняет также функции контроля и управления. Он добавляет к каждому передаваемому символу стартовый бит и стоп-бит.

На рис. 8.6 изображено 8-битовое слово данных и показаны дополнительные биты. Стартовый бит всегда имеет значение логического «0», стоп-бит – логической «1».

Рис. 8.6. Слово данных с дополнительными битами

Скорость передачи данных принято измерять в бодах. Один бод равен одному биту в секунду. Например, скорость передачи 1200 бод означает, что за одну секунду будет передано 120 10-битовых символов: стартовый бит, 8 бит данных и стоп-бит.

Если при передаче данных применяется контроль на четность, то восьмому биту придается значение логического «0» или «1» так, чтобы в передаваемом 8-битовом слове данных было четное количество единиц.

Иногда используется бит нечетности. В этом случае общее количество единиц в 8-битовом слове должно быть нечетным.

Сигналы в линии могут иметь различное представление. При передаче на небольшие расстояния в линии действуют уровни напряжения 3-5 В. При больших расстояниях (до 1,5 км) используют токовую петлю – импульсы постоянного тока 20 или 40 мА.

Вслучае дуплексной связи (т. е. передачи информации как в прямом, так и

вобратном направлении) используют четырехпроводную линию.

Асинхронная связь постоянным током (токовая петля) по четырехпроводной дуплексной линии носит название радиального последовательного интерфейса (ИРПС).

Упрощенная структурная схема УАПП приведена на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Структура УАПП

79

УАПП состоит из трех секций: передачи, управления и приема. Секция передачи служит для преобразования данных из параллельной формы в последовательную. Байт данных поступает из ЭВМ в параллельной форме в регистр данных РД передатчика.

После завершения передачи в линию предыдущего байта и освобождения выходного регистра байт данных переносится (также параллельно) в выходной сдвиговый регистр. Здесь к нему добавляются служебные биты: стартовый, стоповый, бит четности. Полученное таким образом содержимое кадра многократно сдвигается в сторону младших битов, в результате чего на выходе концевого триггера регистра, связанного с передающей линией, последовательно появляются значения всех битов кадра. Пока байт данных передается в линию, в РД передатчика может загружаться из ЭВМ следующий байт данных.

Секция приема работает аналогично. Биты, поступающие из линии, вдвигаются во входной сдвиговый регистр. После получения всего кадра из него убираются служебные биты и оставшаяся часть переносится параллельно в РД приемника, откуда по команде программы данные принимаются в ЭВМ.

В секции управления имеются регистры команд и состояний РКС (обычно два), с помощью которых программно устанавливаются характеристики УАПП и фиксируются ошибки приема данных.

Линии последовательной передачи данных

Линии последовательной передачи подключаются к устройствам с использованием одного из двух стандартов, показанных на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Интерфейс EIA RS-232 (а); интерфейс по току (б)

Широко распространенным является стандарт EIA RS-232C (рис. 8.8, а), разработанный ассоциацией предприятий электронной промышленности США. Согласно этому стандарту, уровню логической «1» соответствует напряжение +3 В (сигнал высокого уровня), а уровню логического «0» – напряжение –3 В (сигнал низкого уровня). Стандарт RS-232 используется для большинства видеотерминалов и других устройств, удаленных от ЭВМ на расстояние до 100 м.

На рис. 8.8, б изображен источник постоянного тока 20 мА. В этом случае передача сигналов осуществляется посредством включения и отключения указанного источника.

80