1 Определение интерфейса. Актуальность стандартизации. Классификация интерфейсов

1.1. Определение интерфейса. Актуальность стандартизации. Классификация интерфейсов

Одним из определяющих моментов в проектировании ЭВМ и систем на их основе является выбор интерфейсов. Для уяснения места интерфейса в современной вычислительной системе обратимся к рис.1.1.

$j:\интерфейсы пу часть 1\texts\g1p1\g1p1.files\image001.gif$

Как следует из схемы подключения, поясняющей объединение некоторого числа функциональных устройств, например процессоров, устройств памяти, устройств ввода/вывода информации, последние в своем составе, наряду с собственно функциональными устройствами, содержат интерфейсные модули. Интерфейсный модуль обеспечивает, с одной стороны, максимально удобную связь с конкретным функциональным устройством, а с другой стороны - стандартизованную (унифицированную) связь всех устройств между собой. Образно говоря, интерфейсный модуль служит «переводчиком» с конкретного языка на язык, общепринятый при общении устройств.

Интерфейс ЭВМ (или системы) - это совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия функциональных устройств.

Интерфейс - это средство передачи информации и в некотором смысле «артерия» вычислительных систем. От правильного выбора интерфейса в конечном счете существенно зависит производительность всей системы.

В настоящее время, к сожалению, не существует единой терминологии в области интерфейсов ЭВМ и систем. В связи с этим введем некоторые основные терминологические понятия. Обобщенная структурная схема интерфейса, поясняющая эти понятия, приведена на рис.1.2.

Интерфейс в общем случае состоит из магистрали и аппаратурных средств (контроллеров, адаптеров), работающих под управлением некоторых программ. Последние реализуют протоколы, соглашения, принятые в данном интерфейсе. Магистраль является стандартизованной частью интерфейса. В качестве магистрали могут использоваться:

совокупность печатных, тонкопленочных или толстопленочных проводников, экранированная или неэкранированная витая пара, радиочастотные и волоконно-оптические кабели, кабели экранированных или неэкранированных витых пар, электромагнитное излучение, инфракрасное излучение. Магистраль может состоять из нескольких подмагистралей (шин), последние - из нескольких линий. Заметим, что в общем случае в интерфейс могут входить несколько интерфейсов. Например, универсальный интерфейс VME состоит из трех интерфейсов (VME,VMS и VMX), а PCI - из собственно PCI и интерфейса JTAG.

Унификации (стандартизации) в интерфейсах обычно подлежат:

· форматы передаваемой информации;

· команды и состояния интерфейса;

· состав и тип линий связи;

· алгоритмы функционирования;

· передающие и принимающие устройства;

· параметры сигналов и требования к ним;

· конструктивные решения (например, типы разъемов, габаритные размеры печатных плат, конструктивные особенности блоков).

Актуальность стандартизации интерфейсов обусловливается необходимостью:

· обеспечения совместимости изделий различных изготовителей;

· применения одних и тех же функциональных устройств в различных системах;

· совершенствования функциональных характеристик (в первую очередь скорости передачи информации, числа объединяемых абонентов, физической протяженности) интерфейсов;

· реконфигурации системы на всех уровнях без каких-либо доработок в процессе эксплуатации;

· унификации аппаратурных средств для обеспечения серийного изготовления элементной базы (контроллеров, шинных формирователей, кабелей, разъемов, конструктивных элементов и т.д.);

· разработки универсального программного обеспечения;

· разработки унифицированного контрольно-поверочного оборудования;

· тщательной проработки схемотехнических особенностей линий связи;

· сокращения сроков разработки новых приборов и устройств.

Основные характеристики интерфейсов:

· функциональное назначение;

· производительность (битовая или байтовая скорость);

· топология связей;

· принцип обмена информацией;

· режим обмена информацией;

· максимальное число объединяемых интерфейсом абонентов;

· число линий, используемых в интерфейсе;

· число адресуемых абонентов;

· максимальная протяженность физической среды интерфейса.

Классификация интерфейсов ЭВМ и систем приведена в ГОСТ Р34.1350-93 [12].

С целью изучения и систематизации интерфейсы полезно классифицировать по нескольким важнейшим характеристикам, например, по функциональному назначению, топологии связей, принципу обмена информацией, режиму обмена информацией (рис.1.3).

По функциональному назначению все интерфейсы ЭВМ и систем можно классифицировать следующим образом.

$j:\интерфейсы пу часть 1\texts\g1p1\g1p1.files\image003.gif$

Локальный интерфейс - это процессорно-ориентированныйинтерфейс (для конкретного микропроцессора), предназначенный для обеспечения непосредственного, локального и высокоскоростного взаимодействия между микропроцессором, его сопроцессором, ОЗУ, КЭШ-памятью и быстрыми внешними устройствами, такими как контроллер графики.

Локальный интерфейс максимально учитывает архитектурные особенности конкретного микропроцессора. Примеры локальных интерфейсов - интерфейсы микропроцессоров i486, MC68040 и др.

Мезонинный интерфейс - это высокоскоростной процессорно-независимыйинтерфейсдля взаимодействия между одним или несколькими микропроцессорами (в общем случае с различной внутренней архитектурой) с общим ОЗУ, КЭШ-памятью и быстрыми внешними устройствами, такими как контроллер графики. Пример мезонинного интерфейса - интерфейс PCI на заре его внедрения.

Системный интерфейс (интерфейс магистрально-модульных ЭВМ) - это интерфейс, рассчитанный на расширение системы, обеспечивающий взаимодействие междунесколькими микропроцессорами(в общем случае различными) с общим ОЗУ, периферийными устройствами ЭВМ и не зависящий напрямую от архитектурных особенностей микропроцессора. Примеры таких интерфейсов - интерфейсы VME, VXI, FB+, CompactPCI, PXI, CompactPCI-XP.

Приборный интерфейс - это интерфейс конкретного внешнего устройства, представляющего собой систему неунифицированных информационных и управляющих сигналов, обеспечивающую в большинстве случаев максимальную скорость обмена информацией и управление некоторым конкретным прибором. Примеры - интерфейсы ESDI, ST506/412.

Интерфейс периферийных устройств - это интерфейс, служащий для подключения к системному интерфейсу ЭВМ различных по принципу действия периферийных устройств (НЖМД, НГМД, НОД, принтеров, клавиатуры, сканеров и др.), каждое из которых имеет специфичный приборный интерфейс. Примеры интерфейсов периферийных устройств - интерфейсы SCSI, Centronics, IEEE-488, RS-232С, RS-422А, RS-485, USB, FC.

Интерфейс локальной вычислительной сети (ЛВС) - интерфейс сети, представляющей собой совокупность абонентов (узлов, устройств вычислительной техники), объединенных каналами передачи данных и расположенных, как правило, в пределах одного здания (помещения). Примеры - интерфейсы МИК (MIL STD 1553), Ethernet, FDDI, TRN.

Межкомпонентныйинтерфейспредназначен для экономной по оборудованию связи между радиоэлектронными компонентами, как правило, между большими интегральными схемами в режиме настройки, в частности, между PIC-контроллерами и микросхемами памяти системы. Пример - интерфейс I²C.

Интерфейс системы на кристалле предназначен для унифицированного подключения различных функциональных устройств, объединяемых в систему в пределах одного кристалла (например, ПЛИС). Пример - интерфейс WISHBONE.

Роль различных по функциональному назначению интерфейсов иллюстрируется весьма упрощенной структурной схемой вычислительной системы (рис.1.4).

На рисунке использованы обозначения: ПРЦ - процессор; ОЗУ, КЕШ - оперативная и буферная память процессора; Алм - адаптер между локальной и мезонинной магистралями; Амс - адаптер между мезонинной и системной магистралями; КИПУ - контроллер интерфейса периферийных устройств; КЛВС - контроллер локальной вычислительной сети; КПУ - контроллер периферийного устройства; ПУ - периферийное устройство; УВВ - устройство ввода/вывода; ЛВС - локальная вычислительная сеть.

Отметим, что на рисунке не представлены примеры межкомпонентного интерфейса и интерфейса системы на кристалле.

$j:\интерфейсы пу часть 1\texts\g1p1\g1p1.files\image004.gif$

По организации связей (топологии) интерфейсы подразделяют на:

· магистральные (рис.1.5,а);

· радиальные, или звездообразные (рис.1.5,б);

· кольцевые (рис.1.5,в);

· древовидные, или иерархические (рис.1.5,г);

· радиально-магистральные (рис.1.5,д).

Рис.1.5. Топология интерфейсов

По принципу обмена информацией интерфейсы делят на интерфейсы с последовательной, параллельной и последовательно-параллельной передачей информации.

Обмен информацией в пределах ЛВС, между процессором и периферийными устройствами одной ЭВМ осуществляется в большинстве случаев последовательной передачей (бит за битом); в пределах одного конструктивного модуля - параллельной передачей (байтом, словом); между отдельными периферийными устройствами - последовательно-параллельно (байт (слово) за байтом (словом)).

Интерфейс с параллельной передачей информации (рис.1.6)основан на магистральной топологии: устройства являются и источниками, и приемниками информации.

$j:\интерфейсы пу часть 1\texts\g1p1\g1p1.files\image006.gif$

Рис.1.6. Интерфейс с параллельной передачей информации: ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство УВВ - устройство ввода/вывода

$j:\интерфейсы пу часть 1\texts\g1p1\g1p1.files\image007.gif$

Рис.1.7. Интерфейс с последовательной передачей информации

В интерфейсе с последовательной передачей информации (рис.1.7) передача информации происходит побитно, последовательно бит за битом.

В интерфейсе с параллельно-последовательной передачей информации, информация передается последовательно словами размерностью 8, 16, 24, 32 бит.

По режиму обмена информацией интерфейсы подразделяют на:
·         симплексные;
·         полудуплексные;
·         дуплексные;
·         мультиплексные.

В интерфейсах с симплексным режимом обмена информацией возможна лишь однонаправленная передача информации от одного абонента к другому (рис.1.8,а).

В интерфейсах с полудуплексным режимом обмена информацией в произвольный момент времени любой из двух абонентов может начать передачу информации другому, если шина интерфейса свободна (рис.1.8,б).

В интерфейсах с дуплексным режимом обмена информацией в произвольный момент времени любой из двух абонентов может начать передачу информации другому (рис.1.8,в).

В интерфейсах с мультиплексным режимом обмена информацией в каждый момент времени связь может осуществляться между двумя абонентами в любом, но единственном направлении (рис.1.8,г).

$j:\интерфейсы пу часть 1\texts\g1p1\g1p1.files\image008.gif$

Рис.1.8. Интерфейсы с различными режимами обмена информацией

следующая страница >>