1, 2, 3 – Компоненты иис

В радиальных структурах центральная вычислительная машина (ЦВМ) определяет режимы работы модулей, конфигурацию и параметры измерительного тракта, производит обработку измерительной информации. Структуры имеют ограничения по наращиванию числа модулей, определяемые возможностями ЦВМ. В магистральных структурах каждый сигнал передается по общей для всех модулей шине – магистрали. Адресная информация показывает, к какому блоку относятся передаваемые данные. Структуры позволяют наращивать число блоков в системе.

В измерительных информационных системах важнейшим условием является организация таких связей, которые обеспечивали бы прохождение всех информационных потоков. Решение этой задачи обеспечивается:

1) выбором эффективных протоколов обмена информацией между элементами системы;

2) определением оптимальной структуры информационных связей;

3) выбором алгоритмов и средств обработки информации, позволяющих уменьшить интенсивность информационных потоков за счет промежуточного сжатия информации.

Общая характеристика интерфейсов

В отечественной практике для описания совокупности схемотехнических средств и функций, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов систем обработки данных, используются понятия «интерфейс», «стык», «протокол».

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.

Понятие «стык» означает место соединения устройств передачи сигналов данных. Под понятием «протокол» понимается строго заданная процедура, или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного класса функций.

Классификация интерфейсов

Интерфейсы классифицируются по четырем основным признакам:

1) способ соединения компонентов (магистральный, радиальный, каскадный, комбинированный);

2) способ передачи информации (параллельный, последовательный);

3) принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

4) режим передачи информации (двухсторонний одновременный, двухсторонний поочередный, односторонний).

Более полные характеристики и классификация интерфейсов базируются на совокупности нескольких основных признаков: области распространения, или функциональном назначении; логической организации; функциональной организации; физической реализации.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно разделить на следующие основные классы:

1) системные интерфейсы ЭВМ;

2) интерфейсы сосредоточенных мультипроцессорных систем;

3) интерфейсы периферийного оборудования;

4) интерфейсы сетей передачи данных;

5) интерфейсы программно-управляемых модульных систем и приборов;

6) интерфейсы локальных вычислительных сетей;

7) интерфейсы распределенных систем общего назначения.

2. Системные интерфейсы

Конфигурация ИИС, средства связи измерительной и управляющей аппаратуры с ЭВМ, а также техника программного управления этой аппаратурой в значительной степени определяются тем, какой системный интерфейс используется в примененной ЭВМ. Под системным интерфейсом ЭВМ понимают весь комплекс средств сопряжения центрального процессора (ЦП), оперативной памяти (ОП) и внешних устройств (ВУ), входящих в состав ИИС. Системный интерфейс представляет собой совокупность унифицированной магистрали для передачи информации, электронных схем (служащих для согласования, преобразования и управления сигналами на магистрали), а также унифицированных алгоритмов обмена информацией между отдельными устройствами ЭВМ.

Практическое использование ЭВМ для автоматизации измерений или построения автоматизированных приборов и установок не требует детального изучения структуры и функционирования системного интерфейса. Представление об общих принципах и основных характеристиках системного интерфейса облегчает рассмотрение средств связи измерительной аппаратуры с ЭВМ, режимов работы и особенностей программирования этой аппаратуры, возможностей оптимизации управляющих программ.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых ЭВМ, процессы, происходящие на системной магистрали, ограничены небольшим числом основных действий. К таким действиям можно отнести операции записи, чтения, прерывания и прямого доступа в память (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Основные действия на системной магистрали

Операция чтения позволяет процессору получать необходимую для выполнения программы информацию: из ОП – код очередной команды или данные (операнды выполняемой команды); из внешнего устройства – слово состояния ВУ или очередную порцию данных.

В процессе операции записи процессор передает в ОП результат вычислений, а в ВУ – новые значения управляющего слова или очередную порцию данных (направление передачи данных определяется относительно процессора: чтение в процессор, запись из процессора).

С помощью операции прерывания внешнее устройство оповещает процессор о своей готовности к передаче очередной порции данных. Эта операция позволяет ВУ выполнять активную роль и создает предпосылки для оперативной обработки внешних событий.

Операция прямого доступа в память служит для быстрой передачи в ОП или из нее отдельных порций или массива информации под управлением не процессора, а контроллера внешнего устройства (контроллера прямого доступа). При этом повышается скорость обмена информацией.

С помощью перечисленных операций реализуется все многообразие действий, выполняемых ЭВМ. Редактирование текста создаваемой программы, трансляция, выполнение вычислительной задачи, прием информации из измерительной аппаратуры, управление автоматизированной установкой – все это раскладывается на простейшие операции чтения и записи, а также прерываний и прямого доступа. Быстродействие ЭВМ определяется скоростью выполнения этих операций.

Для магистральных системных интерфейсов характерны некоторые общие принципы построения. В процессе взаимодействия любых двух устройств ЭВМ одно из них обязательно выполняет активную, управляющую роль и является задатчиком, второе же оказывается управляемым, исполнительным. Чаще всего функцию задатчика выполняет процессор.

Например, операции считывания из ОП очередной команды и ее операндов или записи в управляющий регистр ВУ управляющей информации, а в регистр данных ВУ очередного данного, выполняются по инициативе и под управлением ЦП, который выступает здесь в качестве задатчика. Исполнителем в первом случае является ОП, во втором – ВУ.

Внешнее устройство может стать задатчиком в процессе выполнения операции прерывания, когда из ВУ в ЦП поступает адрес вектора прерывания. Центральный процессор здесь играет пассивную роль исполнителя. 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, отключен) и прекращает данную операцию. Практически квитирование обычно реализуется так, как показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. 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 внешними устройствами (интерфейсы ВУ) имеют в своем составе регистры, через которые и происходит передача информации. Каждому такому регистру (а их число 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 внешних устройств и ячеек ОП не перекрываются.