Avdeev

12

1.3. Функциональная классификация интерфейсов

Классификация – это начало науки, занимающейся нахождением общих признаков в разнородных объектах. Примером удачной параметрической классификации является периодическая система элементов Д.И. Менделеева. В настоящее времядлясистематизацииобъектовсовершенствуетсяморфологическийметод.При использовании морфологического метода в технике основное внимание уделяется классификации элементов (узлов, блоков) и их связей в устройствах, в частности классификации существенных признаков изобретательских технических решений. Однако при таком подходе из-за наличия большого числа разнотипных элементов (особенно это характерно для устройств вычислительной техники) не удается найти единого подходящего принципа классификации для устройств одного назначения.

Разработка всякого устройства начинается с создания способа его функционирования (принципа работы мысленной модели устройства). Таким образом, способ (алгоритм) функционирования является первичным, а устройство, построенное в соответствии с этим способом, вторичным. Одному и тому же способу может быть поставлено в соответствие множество (подкласс) устройств с различными техническими характеристиками (быстродействием, сложностью оборудования, надежностью и т.д.)

Поэтому для классификации устройств, в том числе интерфейсов, следует использовать основные признаки способов их функционирования, чтобы избежать ненужной мелкой детализации и выяснить наиболее важные элементы.

Обычно для устройств вычислительной техники способы функционирования рассматриваются как процесс взаимосвязанных действий по преобразованию, хранению,анализуипередачеинформацииспомощьюматериальныхобъектов(дешифраторов, регистров, шин, сумматоров и т.п.). Однако такой подход в описании способов функционирования устройств не позволяет установить общие классификационные признаки.

Предлагается функциональная классификация, состоящая из нескольких уровней, каждый из которых содержит ряд классификационных признаков. К основным обязательным уровням относятся следующие:

-дисциплины обслуживания;

13

-структуры данных;

-способы передачи битов, байтов, слов и т.д.;

-методы согласования во времени (синхронизации) и т.д.

Кроме того, для устройств, например контроллеров, следует учитывать режимы (фазы) ввода, обработки и вывода данных. Для блоков, входящих в состав устройства, возможна своя функциональная классификация. Уровень дисциплины обслуживания (обработки) является переменным относительно классов устройств и постоянным внутри каждого класса (устройств одного назначения), например, устройства приоритета с равноправной относительной и абсолютной приоритетной дисциплиной обслуживания.

Другой классификационный уровень связан со структурой данных. В области вычислительной техники для некоторых классов устройств имеется тенденция приводитьвсоответствиеструктуру данныхсоструктуройнадлежащихустройств.Если при вводе (выводе) данных используется одна структура данных, а при обработке – другая, то возникает необходимость в преобразовании структур данных, что приводит к значительным затратам времени и (или) аппаратурных средств, т.е. структура данных существенно влияет на техническое решение при разработке устройства.

Следующий классификационный уровень связан со способом передачи данных. В общем случае можно выделить параллельно-параллельный, параллельно-по- следовательный, последовательно-параллельный и последовательно-последователь- ныйспособыпередачислов(байтов)ибитов,например,параллельнопословам(байтам) и последовательно по битам.

Очереднойклассификационныйуровеньсодержитфункциональныепризнаки временногосогласованияпередаваемыхприобрабатыванииданных.Наэтомуровне можновыделить:синхронное,асинхронное,апериодическое(сквитированием),изохронное согласование (координацию) во времени.

Предлагаемую систему классификационных признаков, на наш взгляд, необходимо ввести в структуру описания устройства (объекта изобретения) в качестве ключевых слов для автоматизации поиска патентной информации. Обязательное перечисление классификационных (функциональных) признаков в разделе и указание области техники, к которой относится изобретение, могло бы дать большой инфор-

14

мационный смысл. Это позволило бы четко определить назначение и область применения устройства, понять принцип его функционирования и правильно выбрать аналоги. Но, самое главное, предлагаемая система классификации является методикой изобретательского творчества, т.к. способствует разработке новых устройств и автоматизации поиска аналогов, т.е. содействует созданию банка знаний по патентным источникам информации (информационного обеспечения изобретательского творчества). Итак, поставленная задача имеет множество возможных решений, и трудность состоит в том, чтобы отбросить заведомо неверные; имеющаяся у пользователяинформацияможетбытьнеполнойилинечеткозаданной;впроцессерешения задачи необходимо будет консультировать пользователя и давать советы, анализировать и классифицировать данные, проводить поиск, обмениваться информацией, представлять ее в требуемой форме, прогнозировать, обосновывать действия. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо использовать экспертную систему. Тогда задача поискового проектирования устройств вычислительной техники разобьется на две подзадачи:

1)выбор варианта (прототипа) технического решения и разработка способа его функционирования (экспертная система 1);

2)банк эвристических приемов (экспертная система 2).

Экспертная система 1 должна содержать систему МКИ (индексы патентной классификации), позволяющую классифицировать устройства, набор функциональных параметров (признаков), позволяющих представить каждое устройство в виде морфологического кода (набора классификационных признаков) и совокупности технических характеристик. Экспертная система 1 позволит пользователю выбрать (разработать) способ функционирования устройства по функциональным признакам и найти наиболее близкое техническое решение (прототип), содержащееся в банке данных экспертной системы; просмотреть варианты всех близких проектных решений; выбрать желаемый положительный эффект (цель проектирования) для доказательства эквивалентности устройств, т.е. экспертная система будет использоваться как автоматизированный интеллектуальный подсказчик способов функционирования устройств (генератор технических решений).

Инструментальное средство для создания экспертной системы поискового проектирования должно отвечать следующим требованиям:

15

-обладать высокой степенью гибкости;

-иметь ориентацию на обработку знаний;

-взаимодействовать с пользователем на естественном языке;

-объяснять рассуждения в ходе решения задачи;

-оперировать неполными и неопределенными данными;

-обеспечивать легкий доступ к средствам помощи и подсказок;

-предлагать пользователю содержательные инструкции для ответа на подсказки;

-использовать правила для описания логических связей между значениями параметров и выводом заключений. Возможность выражения знаний в форме продукционных правил позволит легко пополнять базу знаний экспертной системы, что дает возможность включения в систему экспертных знаний по другим классам устройств;

-поддерживать прямую и обратную модели вывода;

-иметь средство взаимодействия и доступа к базам данных, что позволит

создать архив авторских свидетельств и находить среди них прототип. Такими возможностями программных средств обладает оболочка экспертной

системы Персональный консультант плюс (PC PLUS), которая позволяет строить базы знаний для различных предметных областей на персональных компьютерах, совместимых с PC/AT IBM, совместно с базой данных, созданной с помощью dBase.

Рассмотрим принцип функциональной классификации интерфейсов различных типов (системных, локальных, периферийных последовательных и параллельных, приборных, дисковых, малых компьютерных систем и т.д.).

На рис.1.2 представлен морфологический граф функциональной классификации интерфейсов.

Морфологический граф, содержащий 10 уровней и только 3 вершины в каждом уровне, уже определяет 54756 вариантов построения интерфейсов. Системной шине ISA PC/AT соответствует выделенный маршрут в графе (морфологический

17

Рис.1.2. Морфологический граф функциональной классификации интерфейсов код): 1.1, 2.1, (3.1, 3.2), 4.2, (5.1, 5.3), 6.1, (7.1, 7.2, 7.3, 7.5), 8.1, (9.1, 9.2), 10.1. Сле-

дует отметить, что дополнительная детализация (увеличение числа вершин) на каждом уровне и (или) создание дополнительного морфологического графа для какоголибо уровня приводит к значительному увеличению числа решений при реализации интерфейсов, в том числе и неизвестных. Например, при анализе первого уровня графа можно указать, что коммутация в общем случае каналов может быть централизованная или децентрализованная, произвольная (случайная) или разовая (список соединений известен заранее), однозвенная или многозвенная, полнодоступная (неполнодоступная) и т.д. Каждый признак (вершина), указанный в графе, приводит к определенному техническому решению соответствующего интерфейса, т.е. функциональный признак в этом смысле должен быть существенным. Поэтому разделение интерфейсов по назначению (локальные, системные, периферийные, приборные

ит.д.) не выделяется в морфологическом графе в виде отдельного уровня. Эти интерфейсы определяются соответствующими маршрутами в морфологическом графе. Например, периферийный (последовательный) интерфейс RS-232 описывается маршрутом в графе: 1.3 (дисциплина обслуживания – передача данных типа точка-точка); 4.1 (способ передачи – последовательная передача группы битов (8-5)

ипоследовательная передача битов каждой группы); 5.1-5.3 (временное согласование – синхронное, апериодическое или асинхронное координирование во времени); 6.5 (структура данных – последовательная кодовая посылка стартстопного формата группы битов: код ASCII … телеграфный код); 8.1 (отсутствие мультиплексирования); 9.1 (вид передачи с учетом направления – симплексный); 10.3 (представление бита данных биполярным сигналом). В табл. 1.1 приведено описание функциональных признаков некоторых типов интерфейсов.

Из табл. 1.1 видно, что системные интерфейсы ISA и Multibus имеют незначительные функциональные отличия, состоящие в том, что интерфейс ISA является синхронным, а в ряде случаев– апериодическим и с прямымуниполярнымпредставлением единичных битов адреса и данных, а интерфейс Multibus – апериодический интерфейс (с квитированием) и с инверсным униполярным представлением единич-

18

ных битов адреса и данных. Кроме того, имеется несходство в реализации процедуры арбитража: в системной шине для выполнения этой цели используется системный контроллер прямого доступа, а в интерфейсе Multibus – специальное устройство, состоящее из арбитра шины и блока параллельного приоритета (последовательного приоритета). Условию арбитража соответствует свой морфологический граф, который здесь не показан.

Основным различием системных интерфейсов от периферийных или приборных интерфейсов является выполнение в них функции коммутации шины (канала) данных (признаки 1.1 и 2.1). Рассмотрим уровни 1 и 2 более подробно, так как они имеют принципиальное значение и существенно влияют на структуру настоящих и будущих интерфейсов.

На рис.1.3 изображена типичная структура 3-шинного системного интерфейса, в которой шина данных (ШДАН) и приемопередатчик (ПП) исполнителей (ИС) представляют собой децентрализованный (распределенный по ИС) двунаправленный многобитный мультиплексор/демультиплексор, т.е. простейший временной коммутатор, выполняющий коммутацию канала данных.

кой-либо момент времени пересылка данных выполняется между одним задатчиком и одним исполнителем. В этой структуре основное внимание было уделено уменьшению числа линий связи путем децентрализованного размещения частей временного коммутатора на платах исполнителей. Каждая часть временного коммутатора содержит ПП, дешифратор (селектор) адреса (ДшА) и дешифратор управляющих сигналов (ДшУС), формирующий сигналы чтения (Чт) и записи (Зп) соответствующих регистров (Р) ИС. Задатчик, получив доступ к шинам, в режиме записи устанавливает адрес какого-либо регистра ИС на ШАДР и данные на ШДАН. Один из исполнителей опознает собственный адрес и формирует на выходе ДшА сигнал выбор (Выб), который разрешает работы ПП и ДшУС. Выбранный ПП пропускает данные ко входам внутренних регистров ИС, причем нахождение одного из них по младшим битам адреса с заданием соответствующейоперацииЧт или Зпосуществляет ДшУС, когда задатчик устанавливает сигнал Зп по линии ШУПР. Таким образом, в режиме

20

записи ПП1 – ППn представляют собой многошинный децентрализованный демультиплексор.

В режиме чтения активный задатчик направляет адрес и через некоторое время, необходимое для декодирования адреса, устанавливает сигнал чтения (Чт) на соответствующей линии ШУПР. Содержимое выбранного регистра ИС передается черезПП,открытоговобратномнаправлениисигналамиВыбиЧт,наШДАН.После этого задатчик вводит значения битов ШДАН во внутренний регистр. В режиме чтения ПП1 – ППn составляют многошинный децентрализованный мультиплексор.

Другим крайним решением является структура пространственного интерфейса ввода/вывода, представленная на рис. 1.4 и содержащая системные шины (СШ1 – СШk), число которых в общем случае равно числу задатчиков (З1 – Зk), и децентрализованный пространственный коммутатор, распределенный по З1 – Зk и ИС1 – ИСn.

Рис.1.4. Структура пространственного интерфейса ввода/вывода с несколькими системными шинами

Каждой СШi соответствует АРБi, на который поступают запросы от З1 – Зk, и АРБi разрешает доступ к СШi наиболее приоритетному задатчику, т.е. каждый задатчикможет получитьдоступклюбойсистемнойшине.Каждыйзадатчик,который также может быть исполнителем, и исполнитель содержат многошинный мультиплексор/демультиплексор (часть децентрализованного матричного коммутатора), позволяющий подключить любую системную шину к внутренней шине компонента