Avdeev

22

число системных шин меньше, чем число подключенных к этому интерфейсу задатчиков. Построение и анализ таких интерфейсов ввода/вывода в данной книге не рассматривается и является отдельной темой.

Коммутация каналов, сообщений и пакетов достаточно хорошо описана в литературе, посвященной технике связи.

Коммутация каналов заключается в выделении физического канала для связи компонентов системы. Коммутация сообщений, содержащих заголовок, адрес приемника, данные и т.д., выполняется по маршруту, состоящему из узлов связи.

При коммутации пакетов фиксированной длины, составляющих сообщение, осуществляется также их передача по маршруту узлов связи, т.е. в этом случае сообщение разбивается на пакеты.

Кроме того, отметим, что возможна, например, пространственная коммутация битов данных без построения физического канала связи.

Некоторых пояснений требует списковая структура данных, используемая в морфологическом графе для классификации интерфейсов. Обычно в методах программирования употребляются данные, связанные между собой указателями (адресами), составляющие список. Если система содержит несколько задатчиков (процессоров), решающих общую задачу, то данные задатчиков имеют указатели (адреса процессоров) направления передачи данных, т.е. адрес и соответствующее ему данное (данные) являются элементами списка. В общем случае будем также считать адрес и соотносящиеся с ним данные элементами списковой структуры.

Классификационные признаки уровня временного согласования, связанного с передачей данных, имеют следующее объяснение.

При синхронной передаче данных каждый бит данных сопровождается синхросигналом или ее начало и завершение происходит в фиксированные моменты времени, определяемые устройством управления. Поэтому системная шина ISA является в основном синхронной шиной.

Термин «асинхронный интерфейс» (асинхронная передача) имеет несколько интерпретаций. Иногда называют интерфейс с обязательным квитирующим (обратным) сигналом в циклах ввода и вывода асинхронным интерфейсом, что является, на наш взгляд, не совсем правильным определением.

23

Асинхронная передача данных – это передача с произвольными интервалами времени и нестрогими требованиями во времени ожидания данных.

Следует отметить, что обязательный сигнал квитирования в интерфейсе Multibus, сообщающий об успешном завершении операции, кроме того, используется для согласования "медленных" ПУ с работой процессора, т.е. в случае его отсутствия в работе процессора вставляется заданное количество тактов ожидания. Эта возможность сигнала квитирования продлить на некоторое заданное время передачу данных (время ожидания) и позволяет называть ее асинхронной. В этом случае нарушается основное требование для асинхронной передачи – это передача с произвольными интервалами и в любой момент времени. Такая асинхронная передача выполняется в интерфейсеRS–232, который может не использовать сигнал квитирования. В интерфейсе RS–232 асинхронную передачу данных можно осуществлять в любой момент времени и со всякой продолжительностью. Кроме того, существуют асинхронные схемы без сигналов квитирования. Схемы, в которых окончание переходного процесса завершается формированием сигнала квитирования, называют апериодическими. Разработана апериодическая система логических элементов. Поэтому интерфейсы с обязательным сигналом квитирования будем называть апериодическими (с квитированием). Системный интерфейс Multibus и периферийный параллельный интерфейс Centronics являются апериодическими.

Сигнал квитирования в системных интерфейсах выполняет следующие функ-

ции:

-сообщает об успешном завершении операции ввода или вывода;

-указывает процессору о наличии данных на шине при вводе в него;

-синхронизирует работу "медленных" электронных устройств с процессором (удлиняет цикл на шине).

В интерфейсе Centronics сигнал квитирования (ACK) имеет другое назначение – это готовность печатающего устройства, в том числе и механических, принять данные из процессора.

Системная шина ISA содержит линию I/O CH RDY (готовности канала ввода/вывода) с необязательным соответствующим сигналом, позволяющую осуществить апериодическую передачу данных, т.е. согласовать работу "медленного" ПУ с работой процессора путем вставки определенного числа тактов ожидания. Таким

24

образом, если в шине ISA используется сигнал I/O CH RDY, то шина ISA в этом случае является апериодической. Поэтому системную шину ISA следует назвать синхронной, а в ряде случаях апериодической.

Синхронная передача данных является более быстродействующей, чем асинхронная или апериодическая передача. Зато апериодическая координация действий на шине позволяет обнаружить ошибку на интерфейсе в случае отсутствия сигнала квитирования. Асинхронная передача не требует синхронизации каждого бита данных и разрешает передавать данные в произвольные моменты времени.

Изохронная передача данных – это периодическая (в равные промежутки времени) и непрерывная передача изохронных данных, потока данных, синхронизация которых зависит от интенсивности поступлений. Изохронная передача реализуется в универсальной шине USB, использующей дифференциальные сигналы.

Шина USB может быть отнесена к универсальным периферийным интерфейсам, так как позволяет подключать ПУ различных типов (мышь, клавиатуру, адаптер телефона, звуковую колонку, принтер и т.д.). Основное ее отличие от периферийных интерфейсовRS– 232 иCentronics(см. табл.1.1)характеризуется функциональными признаками 1.2 и 2.1 (многозвенная коммутация канала с временным типом коммутации). Шина USB имеет древовидную структуру с узлами (хабами), к которым подключаются ПУ и (или) ветви (сегменты кабеля шины) для подключения к другим хабам. Таким образом, шина USB – это древовидная сеть ПУ (рис. 1.6 а) с многозвенной временной коммутацией б)).

ХОСТ (хаб)

ХАБ ХАБ

ПУ

25

Рис. 1.6. Древовидная структура шины USB

Связь между ПК (хостом) и ПУ образует многозвенный коммутационный канал. Протокол шины USB напоминает протокол локальной сети: посылается пакет с данными, в котором указывается адрес ПУ. После завершения передачи данных ПУ отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается результат этой передачи. Шина USB содержит 2 скрученные дифференциальные линии D+ и D-, по которым передаются дифференциальные сигналы данных (рис.1.7).

ДФ – дифференциальный формирователь ДП – дифференциальный приемник

Рис. 1.7. Дифференциальные сигналы шины USB

Классификационные функциональные признаки шины USB, дающие представление о принципе ее работы, следующие:

многозвенная коммутация канала (1.2); временной тип коммутации (2.1); последовательно – последовательный способ передачи данных (4.1); апериодическое и изохронноевременноесогласование(5.3,5.4);пакетнаяструктураданных(6.3);режимы обмена: прерывание (7.1), монопольный, пакетный (7.4); полное мультиплексирование (8.5); симплексный и полудуплексный виды передач (9.1, 9.2); представление битов данных на шине дифференциальными сигналами (10.4).

Последовательный периферийный интерфейс RS-232 был разработан для сопряжения с модемом и содержит последовательные линии передаваемых TxD и принимаемых данных RxD. На рис.1.8 показана общая схема соединения ПК и модема, которая может работать в асинхронном или синхронном режиме.

26

сигналы синхронизации

Рис. 1.8. Общая схема соединения ПК и модема

Интерфейс RS–232 способен выполнять с учетом временного согласования следующие типы передач: асинхронную, асинхронную с квитированием, синхронную с бит-ориентированными или байт-ориентированными протоколами.

Обычно с помощью интерфейса RS–232 к ПК подключаются последовательные устройства: мышь, трекбол, принтер и т.д. Простейший тип асинхронной передачи без квитирования для связи двух ПК показан на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Простая схема связи двух ПК

Для выполнения асинхронной передачи используется специальный программируемый формат последовательной кодовой посылки, содержащий стартовый и стоповые биты, необходимые для ее синхронизации.

При синхронной передаче каждый бит данных, передаваемый по линии TxD (RxD), сопровождается по соответствующей линии синхронизации синхросигналом.

С целью увеличения помехозащищенности и снижения потребляемой мощности в нагрузке данные по односторонним линиям TxD (RxD) передаются и принимаются биполярными сигналами (рис. 1.10) с помощью специальных драйверов (формирователей) и приемников.

казана схема связи драйвера (ДР) и приемника (ПР) интерфейса RS–232.

Рис. 1.11. Схема связи драйвера и приемника интерфейса RS–232

Функциональные характеристики интерфейса RS–232 приведены в см. табл. 1.1. Если требованиям системы не удовлетворяет интерфейс RS–232, может быть

использован один из следующих последовательных интерфейсов: RS–422, RS–423 или токовая петля, разрешающие увеличить длину связи и (или) скорость передачи данных.

Дифференциальный интерфейс RS–422 является также односторонним (с симплексным видом передачи по линии связи), позволяющим подключить к драйверу до 10 приемников. На рис. 1.12 изображена схема соединения дифференциальных драйвера (ДД) и приемника (ПР) симметричного интерфейса RS–422.

28

Рис. 1.12. Схема соединения ДД и ДП линии RS–422

Дифференциальный принцип передачи увеличивает ее помехоустойчивость и длину связи.

На рис. 1.13 приведена схема линии связи RS–422, содержащая дифференциальный приемник 75115 с настраиваем временем отклика, и драйвер, реализованный на базе двух инверторов с открытым коллектором.

Рис. 1.13. Схема линии связи RS–422

Существуют дифференциальные приемники с петлей гистерезиса и настраиваемой постоянной времени, эффективно устраняющие помехи на линии связи. Дальнейшим развитием этого интерфейса является интерфейс RS–485, допускающий подключение к одной линии нескольких источников и приемников (дуплексный вид передачи).

Несимметричный дифференциальный интерфейс RS–423 отличается от симметричного – RS–422 наличием общего обратного земляного провода для нескольких сигнальных линий. На рис. 1.14 показана линия передачи RS–423.

Выходы

ТТЛ

29

Рис. 1.14. Линия передачи RS – 423

Интерфейс (ИРПС, интерфейс радиальный последовательный) с токовой петлей является менее стандартизированным интерфейсом, чем, например, RS–232. Этот интерфейс представляет собой источник и приемник тока, составляющие электрическуюцепь.Втакойцепиимпульстока,превышающий17(20)мАсоответствует логической единице, а импульс тока меньше 2 мА – логическому нулю. Интерфейс «токовая петля» используется в технических системах для передачи информации на значительные расстояния. В интерфейсе используются оптроны, представляющие собой комбинацию светоизлучателя и фотоприемника, например, светодиода и фототранзистора. В зависимости от расположения источника тока в драйвере или приемнике существуютразличныесхемы интерфейса токовой петли. Один из вариантов схемы интерфейса с токовой петлей показан на рис. 1.15.

5в

буферный усилитель

Rн R

инвертор на КМОП-триггере ST Шмитта

оптрон оптрон

Рис. 1.15. Схема интерфейса токовой петли с источником тока в приемнике

Кроме того, при построении интерфейса с токовой петлей драйверы и приемники могут быть активными или пассивными, возможноразмещение оптрона только в приемнике или в драйвере и приемнике, применяется развязанный источник питания только для линии связи и т.д. В табл. 1.2 представлены некоторые технические характеристики последовательных интерфейсов.

30

11300

31

Параллельный периферийный интерфейс Centronics предназначен для сопряжения ПК с принтером. На рис. 1.16 показана схема общего вида интерфейса Centronics.

D7 - D0

ACK

Рис. 1.16. Схема общего вида интерфейса Centronics

Процессор ПК устанавливает на шину D7–D0 данные, поступающие в принтер (его входной регистр данных). Затем процессор вторым своим выводом формирует сигнал строб (STR), записывающий данные (символ) во входной регистр данных принтера. При этом внутри принтера устанавливается сигнал прерывания, сообщающий его микропроцессору (МП), что входнойрегистр данных полон. МП считывает этот символ, анализирует его (это управляющий или выводимый на печать?), помещает печатаемый символ в буфер и формирует сигнал ACK (подтверждение приема). Через прерывание или опрос сигнала ACK процессор может определить, что принтер готов принять очередной байт данных.

Функциональные признаки интерфейса Centronics приведены в см. табл.1.1. Основное отличие этого интерфейса состоит в том, что используется последовательно – параллельный способ передачи байтов и их битов.

КраткорассмотримфункциональныепризнакилокальнойшиныPCI,показанные в см. табл. 1.1. На рис. 1.17 представлена общая схема локальной шины PCI.

Локальная шина PCI с частотной синхронизацией 33 Мгц предназначена для подключения дисков, графических дисплеев и содержит 32или 64-битную мультиплексную шину адрес/данные (AD). Сигналы квитирования «готовность цели» (TRDY#) и «готовность инициатора» (TRDY#) имеют активный низкий уровень, на который указывает знак #. Если в режиме обмена хотя бы один из этих сигналов обладает высоким пассивным уровнем, то передача данных приостанавливается и в работе шины выполняются циклы ожидания. Таким образом, шина PCI использует апериодическое (с квитированием) временное согласование хоста и ПУ.