Лекция: Интерфейсы в ЭВМ. Типы и методы взаимодействия устройств вычислительной системы.

Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи, обеспечи­вающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе обыч­но предусмотрены вопросы сопряжения на механическом (число проводов, эле­менты связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.) и логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуда, протоколы взаи­модействия) уровнях. В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе широко используются наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы. Это существенно усложняет и удорожает не только сам интерфейс, но и компьютер в целом.

Организация интерфейсов определяется способность передачи информации: параллельные или последовательные цифровые сообщения могут передаваться последовательной или параллельно-последовательной форме, соответственно интерфейсы могут делиться на последовательные и параллельные.

В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется всего по одной линии, хотя общее число линий может быть больше. В этом случае по линиям предаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейс последовательного типа характеризуется относительно набольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительном расстоянии от ядра ЭВМ.

В параллельных интерфейсах передачи сообщений выполняется последовательными квантами, содержащими м бит, каждый квант передается одновременно по точным линиям, величина м называется шириной интерфейса и обычно кратна байту. Наиболее распространенны параллельные интерфейсы, в котором м=8 или м=16.

Можно выделить 4 шины интерфейса: интерфейс основной (оперативной памяти); интерфейс «процессор-канал»; интерфейс «ввода-вывода» (интерфейс переф. Устройств); интерфейс периферийных аппаратов (малый интерфейс)

Через интерфейс основной памяти производиться обмен информации между ОП с одной стороны и процессором и каналом ВВ – с другой стороны.

Интерфейс «процессор-канал» предназначен для передачи информации между процессором и КВВ.

Через интерфейс «ввода-вывода» происходит обмен информацией между каналами и УПУ.

Через «малый» интерфейс осуществляется передача между УПУ и ПУ (УПУ – унифицированные ПУ – адаптеры).

Наиболее быстродействующими являются интерфейс «процессор-канал» из ОП информация передается словами и словами двойной длины (4-8 байт). Через интерфейс В-В информация передается байтами или парами байт. При проектировании ЭВМ стараются унифицировать интерфейс, обеспечение сопротивление с ПУ (инт. В-В).

Используются два метода передачи информации (дискретных сигналов) между устройствами ЭВМ:

— синхронный метод:

ло: у1 –у2 0 0

1

Передающее устройство у1 устанавливает одно из двух возможных составлений сигнала (0 или 1) и поддает его в течение определенного времени, заранее выбранного, по истечению которого состояние сигнала на передающей стороне может быть изменено. Время передачи сигнала складывается из времени распространения сигнала по линии ЛО и времени распространения к фиксации сигнала в регистре приемного устройства у2. Для период

синхронной передачи информации должно выполняться условие tay>=T (Т- максимальное время передачи сигнала)

— асинхронный метод:

Л0

Л1

л0: у1 – у2

л1: у2 – у1

>=тау >=t >=t >=t

Tay>=2t tay>=2t

Устройство у1 устанавливает коду состояние сигнала на Л0, а у2 после приема нового состояния информирует об этом у1 изменением сигнала на Л1.. Передающее устройство снимает передаваемый сигнал, т.о. период t является переменным и для выполнения условия tay>=2t, где t-время передачи нового состояния сигнала в один конец связи (2t<<T).

Параллельный код может передаваться двумя способами:

1. со стробированием, при котором используется синхронная передача.

2. с квитированием – использование асинхронной передачи

Внутримашинный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой. Представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:

-многосвязный интерфейс: каждый блок ПК соединен с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс иногда применяет­ся в качестве периферийного интерфейса (для связи с внешними устройства­ми ПК), дополняющего системный, а в качестве системного — лишь в некото­рых простых компьютерах;

-односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфей­са используется системная шина. Шина (bus) — совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной, шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Важнейши­ми функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зави­сит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

Разрядность или ширина шины (bus width) — количество линий связи в шине, то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно.

Тактовая частота шины (bus frequency) — частота, с которой передаются после­довательные биты информации по линиям связи.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

-шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

-локальные шины, часто специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса, преимущественно видеосистем.

В компьютерах широко используются также периферийные шины — интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных медленно дейст­вующих устройств.

Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с систем­ной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выпол­няемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Ин­терфейсная часть включает в свой состав:

-адресные регистры МПП;

-узел формирования адреса;

-блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП;

-внутреннюю интерфейсную шину МП;

-схемы управления шиной и портами ввода-вывода.

Некоторые из названных устройств, такие как узел формирования адреса и ре­гистр команды, непосредственно выполняемой МП, функционально входят в со­став устройства управления.

Порты ввода-вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65 536 (равно количеству разных адресов, которые можно пред­ставить числом формата «слово»). Каждый порт имеет адрес — номер порта; по существу это адрес ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-выво­да, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.

Порту устройства соответствуют аппаратура сопряжения и два регистра памя­ти — для обмена данными и управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов ин­формации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и т. д.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

-формирование адреса порта и управляющей информации для него (переклю­чение порта на прием или передачу и т. д.);

-прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;

-организация сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по кодовой шине инструкций (КШИ), который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на кодовую шину адреса (КША) является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устройство с совпадающим адресом порта дает ответ о готовности. После чего по кодовой шине данных (КШД) осуществляется обмен данными.