лекции / лекции ВМСС / интерфейсы
.pdf
где {t1,t1} — длительность переходного процесса формирования синхронизирующего импульса (строба) определяется источником информации или внутренним тактирующим генератором приемника (рис. 1).
max{ t1,t1}
ШД 00
ШД 01
ШД N
СИ
min{ t1,t1}
Рис. 1. Временная диаграмма синхронизации передачи битов слова: СИ – синхронизация источника.
ШД
СИ
Рис. 2. Временная диаграмма синхронизации передачи слов без обратной связи: ШД — шина данных; СИ — синхронизация источника
Синхронизация передачи слова определяет такие технические характеристики интерфейса, как возможность взаимодействия одного источника с несколькими приемниками, максимальная скорость передачи и допускаемая длина линий связи. На этом уровне используются два основных способа синхронизации передачи: без обратной связи и с обратной связью (рис. 2, 3).
Схема синхронизации без обратной связи выполняется на основе одного общего или отдельных тактирующих генераторов высокой стабильности. Необходимым условием реализации способа является наличие отдельной линии стробирования. Способ используется в основном в последовательных интерфейсах с побитным принципом передачи. Основной недостаток синхронного способа заключается в том, что скорость выдачи данных источником не может быть больше скорости приема этих данных самым медленнодействующим приемником. Этот недостаток может быть исключен благодаря применению в интерфейсных блоках модульных буферных ЗУ, например, со стековым механизмом записи и считывания.
Способы технической реализации обратной связи в схемах синхронизации можно разделить: по характеру сигналов стробирования и обратной связи на импульсные (рис. 2, а) и потенциальные (рис. 2,б,в); по числу контуров обратной связи на однопроводные (рис. 2,а,б), двухпроводные (рис. 2,в).
Рис. 3. Временные диаграммы синхронизации передачи слов с обратной связью:
СИ — синхронизация источника; ГП — готовность приемника; ДП — данные; приняты; ШД
— шина данных; Применение обратной связи позволяет гибко адаптироваться к изменению скорости передачи
информации и наиболее полно использовать пропускную способность информационного канала,
который в асинхронном режиме функционирует с быстродействием, максимальным для каждого устройства системы. Основными недостатками асинхронного способа по сравнению с синхронным являются в ряде случаев более низкая скорость передачи и необходимость введения дополнительных линий обратной связи. Важным качеством синхронизации с обратной связью является возможность одновременной передачи информации от одного источника к нескольким приемникам. Число необходимых линий синхронизации для выполнения данной функции зависит от наличия в устройствах интерфейса буферных регистров. При их наличии достаточна однопроводная обратная связь.
При отсутствии буферных регистров используется двухпроводная обратная связь. Сигнал на второй линии обратной связи (в данном случае сигнал ДП) выполняет функции сигнализации окончания приема слова данных и формируется аналогично сигналу на линии обратной связи для однопроводного варианта. Подобный способ синхронизации принят в интерфейсе IEC 625-1.
Синхронизация передачи массива слов является процессом синхронизации верхнего уровня. Процессы передачи массива могут быть детерминированными или стохастическими. К детерминированным относятся процессы передачи массива слов фиксированной длины (от одного до нескольких тысяч слов за сеанс связи), к стохастическим— переменной длины. В первом случае используется синхронный принцип сигнализации окончания процесса взаимодействия, во втором — асинхронный.
СЕЛЕКЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО КАНАЛА
Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает однозначность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы посредством приоритетного разрешения внутриорганизационных конфликтов. Наличие конфликтов при доступе к информационному каналу является следствием взаимодействия параллельных процессов, протекающих в системе обработки информации. При взаимодействии устройств, функционирующих параллельно во времени с общим информационным каналом, возможны конфликты двух уровней: при доступе устройства к информационному каналу интерфейса, при доступе одного устройства к другому. Первый уровень определяется занятостью информационного канала, и конфликт разрешается функцией селекции, второй—занятостью устройства, к которому происходит обращение, и конфликт разрешается при координации взаимодействия.
Управление операциями селекции может выполняться как централизованно, так и децентрализованно. Основным признаком централизованной структуры управления селекцией является в большинстве случаев наличие разомкнутых линий шин передачи управления и прерывания, а также отдельного функционального узла управления операциями селекции— арбитра. В децентрализованной структуре соответствующие линии являются двунаправленными или же замкнутыми однонаправленными, а схема арбитра симметрично распределена по устройствам сопряжения.
Рассмотрим способы централизованной селекции информационной магистрали. На рис. 1,а показан вариант пространственной селекции на основе последовательного адресного сканирования источников запроса. Выбор источника запроса начинается по общему сигналу запроса и выполняется последовательной кодовой адресацией всех подключаемых устройств в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания. При обнаружении источника запроса устанавливается сигнал «Занято» и дальнейшая выдача адресов прекращается.
Запрос
К
Подтверждение
а)
Адрес
ИБ ИБ
Запрос
К
Занято
б)
ИБ ИБ
Подтверждение
Занято
К
Подтверждение N
Запрос N
Подтверждение 1
Запрос 1
в)
ИБ ИБ
Рис. 1.2. Схемы селекции магистрали централизованной структуры: К — контроллер; ИБ — интерфейсный блок
Основным достоинством этого способа селекции является гибкость в реализации дисциплин обслуживания. Практически при использовании программируемой генерации адресов на основе данного способа можно реализовать любую дисциплину обслуживания. Основным недостатком является низкое быстродействие.
Схема последовательной (цепочечной) селекции, представленная на рис. 1,б, широко распространена в машинных интерфейсах как наиболее простая и достаточно быстродействующая. Поиск источника запроса начинается по сигналу «Запрос». Идентификация наиболее приоритетного устройства выполняется сигналом «Подтверждение», который последовательно проходит через все устройства. Приоритетным в данном случае будет устройство, наиболее близко расположенное к контроллеру. При поступлении сигнала «Подтверждение» в устройство (источник запроса) дальнейшее его прохождение блокируется и устройством выставляется сигнал «Занято». Основными преимуществами последовательного соединения интерфейсных блоков является простота реализации
ивысокое быстродействие по сравнению с адресным сканированием. Основным недостатком схем селекции на основе последовательного соединения является низкая надежность, в особенности при увеличении длины интерфейсных связей. Поэтому последовательное соединение находит основное применение во внутриблочных интерфейсах.
Аналогично цепочечной схеме функционирует и схема селекции по выделенным линиям (рис. 1.2,в). Отличие ее от предыдущей заключается в том, что общие линии «Запрос» и «Подтверждение» заменяются системой радиальных линий. Максимальное время занятия информационной магистрали для этого варианта будет меньше, чем для цепочечной структуры, так как сигналы по шинам запроса
иподтверждения могут передаваться параллельно. Данный способ характеризуется также гибкостью установления дисциплины обслуживания, поскольку контроллер с помощью масок может установить
произвольный приоритет и порядок опроса. Однако это достигается за счет существенного увеличения числа линий и усложнения схемотехнического оборудования. Для данного метода характерно ограничение по числу подключаемых устройств (низкая наращиваемость). Подобный способ селекции используется в IBM РC – подобной технике.
Основные варианты реализации схем селекции децентрализованной структуры представлены на рис. 2.
|
К |
|
|
|
|
|
|
Запрос |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подтверждение |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Адрес |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ИБ |
|
|
|
ИБ |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Запрос |
||||||||||
|
К |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Занято |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИБ |
|
|
|
|
|
ИБ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подтверждение
Рис. 2. Схема селекции магистрали децентрализованной структуры.
Характерным признаком децентрализованной селекции является наличие замкнутых линий запроса и подтверждения. На рис. 1.3,а показан вариант децентрализованной цепочечной структуры, которая может быть получена из централизованной исключением линии «Занято» и замыканием общей линии «Запрос» с линией «Подтверждение». Необходимым условием установления запроса любым устройством является отсутствие входного сигнала подтверждения. При выдаче запроса этот сигнал «дизъюнктивно» формируется на линии и трансформируется в сигнал «Подтверждение», который будет проходить до устройства, выставившего запрос и находящегося наиболее близко по отношению к точке замыкания.
На рис. 1.3,б показан вариант кольцевой децентрализованной схемы селекции. В варианте используется одна линия, определяющая состояние занятости информационного канала по циркуляции в линии маркерного импульса или серии импульсов. Устройство, запрашивающее шину,
не пропускает маркер к следующему устройству, и, таким образом, циркуляция импульсов прекращается. Способ широко распространен в интерфейсах локальных сетей. Основным недостатком способа является низкая помехоустойчивость.
Одним из наиболее перспективных способов селекции для магистральных систем сопряжения является способ параллельного адресного сравнения или же децентрализованного кодового управления (ДКУ), структурная схема которого представлена на рис. 1.3,в.
Сущность алгоритма ДКУ заключается в параллельном выделении приоритетного кода запроса посредством поразрядного сравнения кодов приоритета в асинхронном режиме одновременно во всех устройствах интерфейса, выставивших запросы. Такое решение использовано, например, в интерфейсных системах Multibus II и Fastbus.
Анализ возможных вариантов реализации способов селекции устройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация запроса.
Идентификация запроса заключается в определении адреса приоритетного источника запроса. Операция выдачи приоритетного кода в зависимости от способа выделения приоритетного запроса выполняется параллельно с операцией выделения приоритетного кода (параллельное сравнение) или же последовательно (в структурах с цепочечным соединением устройств интерфейса). Адреса в интерфейсах могут быть заданы позиционным двоичным или унитарным кодом и передаваться по адресной или информационной шине.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ: CENTRONICS
Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит в слове используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Параллельные интерфейсы, как правило, используют логические уровни ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), что ограничивает длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса.
Гальваническая развязка отсутствует. |
|
|
|
Для подключения принтера по интерфейсу Centronics в PC |
был |
введен порт |
|
параллельного интерфейса - так возникло |
название LPT-порт (Line |
PrinTer |
- построчный |
принтер). Хотя сейчас через этот порт подключаются не только построчные принтеры, название "LPT" осталось.
Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл., а временные диаграммы обмена с принтером - на рис. 1.
Сигнал
Strobe#
Data [0:7]
Ack#
Busy
PaperEnd #
Select #
AutoLF#
Error#
Init#
Select#
GND
I/O*
I
I
0
0
О
О
I
О
I
-
Назначение
Строб данных. Данные фиксируются по низкому уровню сигнала
Линии данных. Data 0 - младший бит
Acknowledge - импульс подтверждения приема байта (запрос на прием следующего). Может использоваться для формирования запроса прерывания
Занято. Прием данных возможен только при низком уровне сигнала
Высокий уровень сигнализирует о конце бумаги
Сигнализирует о включении принтера (обычно в принтере соединяется резистором с цепью +5 В)
Автоматический перевод строки. При низком уровне принтер, получив символ CR (Carriage Return - возврат каретки), автоматически выполняет и функцию LF (Line Feed - перевод строки)
Ошибка: конец бумаги, состояние OFF-Line или внутренняя ошибка принтера
Инициализация (сброс в режим параметров умолчания, возврат к началу строки)
Выбор принтера (низким уровнем).При высоком уровне принтер не воспринимает остальные сигналы интерфейса
Общий провод интерфейса
Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт вырабатывает аппаратное прерывание по импульсу на входе Ack#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом.
Рис. 1. Передача данных по протоколу Centronics
Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5.Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов,
BIOS поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом - прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтером по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных
прерываний), инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера. Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в
пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE).
Data Register (DR) - регистр данных. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса.
Status Register (SR) - регистр состояния; представляет собой 5-битный порт ввода сигналов интерфейса, отображающих состояние принтера (Busy, Ack, Paper End, Select, Error).
Control Register (CR) - регистр управления. Предназначен для программного управления принтером путем активизации линий Select, Init, AutoLF, Strobe# , задания режима прерывания и направления передачи данных
Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics включает следующие шаги (в скобках приведено требуемое количество шинных операций процессора):
-Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).
-Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR. 7 - сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).
-По получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается (2 цикла IOWR#).
Видно, что для вывода одного байта требуется 4-5 операций ввода/вывода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда вытекает главный недостаток вывода через стандартный порт - невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт может обеспечить скорость не более 100-150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно, например, для печати на лазерном принтере.
Стандартный порт асимметричен - при наличии 12 линий, нормально работающих на вывод, на ввод работают только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена - Nibble Mode. В этом режиме одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования. Таким образом, каждый байт передается за два цикла, а каждый цикл требует по крайней мере 5 операций ввода/вывода.
Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:
-Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному порту SPP.
-Полубайтный режим (Nibble Mode) - ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах.
-Байтный режим (Byte Mode) - ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или
PS/2 Type 1).
-Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port) (EPP Mode) - двунаправленный обмен данными. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройствами внешней памяти. Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5...2 Мбайт/с).
-Режим ЕСР (Extended Capability Port) (ECP Mode) - двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных и использования FIFO-буферов и DMA. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров.
ПУ в стандарте IEEE 1284 обычно не требуют от контроллера реализации всех режимов, предусмотренных стандартом. Для определения режимов и методов управления конкретным устройством стандарт предусматривает последовательность согласования (negotiation sequence). Последовательность построена так, что старые устройства, не рассчитанные на применение IEEE 1284, на нее не ответят, и контроллер останется в стандартном режиме. Периферия IEEE 1284 может сообщить о своих возможностях, и контроллер установит режим, удовлетворяющий и хост,
и |
ПУ. |