Интерфейсы.
Глава 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИНТЕРФЕЙСОВ ИНФОРМАЦИОННОВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
1.1. Общие понятия о информационно-вычислительных системах
В основе любой научно-технической, биологической и социальной системы управления и функционирования, а тем более в основе систем вычислительной техники, лежат информационные процессы, связанные со сбором и обработкой информации, ее передачей, хранением, распределением, отображением, регистрацией, считыванием и т.д. Информация - понятие очень емкое и трудно поддающееся четкому определению. Не останавливаясь на сложной проблеме строгого формализованного и полного определения понятия информации, примем, что информация есть сведения о тех или иных явлениях или объектах (сущностях), точнее - сведения об определенных свойствах или параметрах этих явлений или объектов и зависимостях между этими свойствами. Информация воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, называется сообщением, а физическое средство передачи сообщения - сигналом. Или иначе: сигнал - это процесс изменения во времени физического параметра какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщения. Информационная система - это любая система (установка, совокупность устройств, отдельное устройство, прибор, блок и т.д.), предназначенная для любого типа обработки информации: приема, генерации, запоминания, преобразования и т.д. В информационных системах (ИС) обычно осуществляется и преобразование типа сигналов, включая их физическую природу. Очевидно, что физическая природа сигнала в общем случае может быть любой, но в ИС, в основном, используются электрические сигналы. Поэтому в ИС чаще всего входная информация, т.е. входной сигнал, если он не электрический, преобразуется таким образом, чтобы в качестве переносчика сообщения в дальнейшем в системе использовался электрический сигнал (ЭС). В последнее время используют иногда и оптические сигналы. К типичным информационным системам, например, относятся любого типа ЭВМ, вычислительные комплексы, любого типа вычислительные сети, различные автоматизированные системы (АС) измерения, управления и связи, реализуемые в основном на базе разнообразных средств вычислительной техники (СВТ). К таким системам, в частности, относятся АС научных исследований (АСНИ), управления технологическими процессами (АСУ ТП), или АС управления транспортными средствами и т.д. В связи с тем, что все эти системы так или иначе обрабатывают информацию, то если в их состав включены СВТ, эти системы, также как и сами СВТ, можно отнести к информационно-вычислительным системам (ИВС). Следовательно, под информационно-вычислительной системой понимается любая система, предназначенная для обработки информации с использованием различного типа средств вычислительной техники. В общем случае в состав ИВС могут входить устройства измерения определенных параметров некоторых внешних объектов, обработки принятой информации и

управления этими параметрами. Как уже отмечалось, в состав ИВС могут входить различного типа СВТ, в том числе аппаратно встроенные микро- и мини-ЭВМ различной конфигурации, персональные компьютеры (ПК) или рабочие станции (РС). В качестве СВТ системы может использоваться также некоторая мощная ЭВМ, подключенная на линию с другими устройствами ИВС. Когда в состав ИВС включаются СВТ, то обычно основная обработка информации выполняется соответствующей ЭВМ или группой ЭВМ на программном уровне. Использование СВТ позволяет упростить аппаратную часть ИВС, увеличить ее "гибкость", т.е. легко адаптировать к новым условиям, модернизировать и вообще изменять логику функционирования ИВС. Достаточно сложные ИВС реализуются в виде определенной совокупности конструктивно автономных, но информационно взаимосвязанных в единую систему функциональных элементов (ФЭ): различных устройств, блоков, модулей, каждый из которых полностью выполняет некоторую определенную функцию обработки информации. Основной отличительной чертой ИВС является любая форма обработки информации, поэтому очевидно, что в конкретных случаях в ИВС могут отсутствовать средства измерения параметров некоторых внешних объектов и/или управления этими параметрами. Следовательно, как это уже отмечалось, к ИВС можно отнести любого типа автономную ЭВМ со своей периферией, многомашинные (ММК) и многопроцессорные (МПК) комплексы (системы), а также вычислительные сети различной конфигурации. В состав ММК входят несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою память и работает под управлением своей операционной системы. Применение ММК позволяет повысить надежность вычислительных установок. МПК содержит несколько процессоров, работающих с общей памятью (но каждый из них может иметь также и свою локальную память) под управлением общей операционной системы. Часто в МПК организуется также и общее поле внешней памяти. МПК представляет собой основной путь построения вычислительных систем сверхвысокой производительности. Связь между ЭВМ и процессорами в ММК и МПК соответственно может осуществляться несколькими способами: на уровне процессоров, каналов ввода-вывода и внешней памяти. ММК и МПК, также как одномашинные системы относятся к сосредоточенным системам, т.е. к системам у которых все ФЭ сосредоточены на малой площади. Наконец, вычислительной сетью или сетью ЭВМ принято называть комплекс территориально рассредоточенных ЭВМ и терминальных устройств, связанных между собой каналами передачи данных. Вычислительные сети можно рассматривать как системы с распределенными по территории с большой площадью аппаратурными, программными и информационными ресурсами. Различают вычислительные сети глобальные, региональные и локальные (ЛВС). В отдельный класс рассредоточенных систем выделяют рассредоточенные системы телеуправления, которые в общем случае представляют собой координированно-децентрализованные специального вида системы управления реального времени. Каждой из выше перечисленных систем и сетей характерны свои наиболее типичные способы передачи данных между ФЭ, входящими в их состав. Очевидно, что для любого типа обработки информации, выполняемой в рамках любой ИВС, необходимо обеспечить определенный обмен информацией между активизированными в данный момент функциональными элементами, входящими в ее структуру. Поэтому любой ФЭ, помимо электронных узлов, реализующих его основную функцию обработки информации, должен иметь

специальные электронные узлы или аппаратуру, при помощи которых организуется необходимый обмен информацией с другими ФЭ по соответствующим каналам связи (КС). Физическая среда, по которой передаются сигналы, несущие информацию, может быть различной, в частности в качестве такой среды используются различного вида кабели или линии связи (ЛС): одиночные провода, витые пары, многожильные кабели, коаксиальные кабели, волоконно-оптические линии связи, печатные проводники плат и т.д. При передаче информации на большие расстояния в качестве ЛС могут быть использованы телеграфные и телефонные линии. В таких случаях используются также радиоканалы, УКВ-каналы и инфракрасные каналы. ЛС, по которым передаются сигналы, и аппаратура передачи/приема данных образуют упомянутые выше каналы связи. Линии связи будут подробно рассмотрены в дальнейшем.

1.2. Интерфейсы информационных систем
Совокупность всех, в основном унифицированных, технических (аппаратных) и программных средств, обеспечивающих информационное взаимодействие ФЭ, входящих в состав ИВС, называется интерфейсом. Иначе говоря, интерфейс - это совокупность канала связи и программных средств, используемых для информационного сопряжения устройств входящих в состав ИВС. Помимо понятий "интерфейс" и "канал связи" часто используются также такие понятия как "протокол" и "стык". Протокол - это совокупность правил, определяющих взаимодействие ФЭ системы и описывающих способ выполнения определенного класса функций сопряжения, т.е. интерфейсных функций. Термин стык используется вместо понятия "интерфейс" для описания функций и аппаратуры сопряжения средств связи и систем передачи данных ИВС. ИВС, как и вообще ИС любого типа, можно представить как систему с многоуровневой иерархической структурой, на каждом уровне которой в той или иной форме организуются информационные связи между отдельными ФЭ рассматриваемого уровня. В то же время любой ФЭ практически каждого уровня в свою очередь можно представить в виде ИС, имеющей свою структуру, формируемую элементами нижнего уровня и соответствующими информационными связями. Каждому уровню, очевидно, соответствует свой оптимальный тип интерфейса. Так, например, ЭВМ может выполнять функции ФЭ в некоторой вычислительной сети. Любой из ее блоков или устройств, включая периферийные устройства, являются ФЭ уже в структуре этой ЭВМ. Некоторые отдельные части этих блоков и устройств в свою очередь могут являться ФЭ в рамках их структур и т.д. Даже любую интегральную схему можно рассматривать как систему, имеющую свою структуру и свой тип внутреннего интерфейса. В ИС любой конфигурации одним из важных структурных элементов являются каналы связи, обеспечивающие эффективную информационную связь между отдельными ФЭ, входящими в систему. Эти каналы фактически являются системными связями, т.к. система, как таковая, может функционировать, существовать, только при наличии этих каналов связи, точнее - интерфейсов. В то же время очевидно, что только при нормальном функционировании ИС, как системы в целом, становятся системно значимыми "локальные" свойства, реализующие основные функции обработки информации, отдельных ФЭ, входящих в состав ИС. Распад системы, из-за нарушения функций каналов связи, с точки зрения задачи, поставленной перед системой, обесценивает все эти "локальные" свойства ФЭ. Нередко в таких случаях ФЭ вообще не способен функционировать. Отсюда и вытекает значимость, важность эффективной реализации

и функционирования каналов связи ИС, реализованных посредством тех или иных интерфейсов. Поэтому и уделяется такое большое внимание разработкам эффективных и надежных интерфейсов. Структура связи между отдельными ФЭ системы может быть разной: радиальной (рис.1.1А), цепочечной (рис.1.1С), кольцевой (рис.1.1Е), древовидной, магистральной (рис 1.1В) и т.д. В общем случае каждый ФЭ системы может быть источником информации (ИН) или ее приемником (ПН). В последовательных структурах, например в цепочечной, кольцевой, каждая пара ФЭ обменивается информацией непосредственно. Управляющие функции в таких структурах обычно распределяются между всеми ФЭ структуры.

Рис.1.1. Типы структур связи ФЭ Однако в некоторых случаях для управления обменом данными предусматривается специальное отдельное устройство - контроллер. Например, в радиальной структуре типа "звезда" (рис.1.1В) в качестве контроллера выделяется центральный ФЭ, с которым каждый ФЭ (ИН или ПН) связывается с помощью индивидуальных каналов связи. В вычислительных сетях со структурой типа "звезда" функции такого контроллера часто выполняет некоторая ЭВМ, которая в этом случае называется сервером. Широкое распространение получила магистральная структура объединения отдельных модулей и устройств ИВС, т.е. магистрально-модульная структура. В основном это объясняется тем, что в настоящее время при формировании достаточно сложных ИВС используется принцип блочного построения путем их агрегатирования из стандартных блоков и модулей, т.е. унифицированных ФЭ, которые могут применяться в различных системах. Такие ИВС принято называть магистрально-модульными системами (ММС) и чаще всего они выполняются в определенном стандарте. Обычно МПК реализуются только в виде ММС и в этом случае

называются магистрально-модульными мультипроцессорными системами (МММС) и рассматриваются как частный случай ММС. При магистральном соединении к линиям связи, которые в совокупности образуют канал обмена информацией, подключаются все ФЭ, входящие в систему, а сигналы на этих линиях формируются способом проводного (монтажного) ИЛИ. В каждый момент времени обмен информацией по магистрали может осуществляться между любой парой ФЭ, подключенных к магистрали. ФЭ МММС могут быть активными и пассивными. Активным называется устройство, потенциально способное быть ведущим, а пассивным - устройство, способное быть только ведомым. Ведущий или инициатор - это ФЭ, управляющий в данный момент операцией на магистрали. Ведомый или исполнитель - это ФЭ, взаимодействующий в текущий момент с ведущим в совместном выполнении операции. Ведущий адресует ведомого и указывает ему характер предстоящей операции. Ведомый, который распознал свой адрес, сообщает об этом ведущему и приступает к совместному выполнению операции, а остальные ведомые в это время не подключаются к магистрали. Однако, есть разновидности интерфейсов, в которых предусмотрен режим одновременного взаимодействия ведущего с группой ведомых или же со всеми ведомыми, подключенными к соответствующей магистрали. Когда к магистрали подключается несколько активных ФЭ, то любой из них может получить управление магистралью, т.е. стать ведущим, если он выиграет специальную процедуру арбитража: процедуру запроса управления магистралью. Проигравшие арбитраж не активизируют на магистрали свои функции ведущего. Очередная процедура арбитража может начаться только тогда, когда магистраль свободна. В простых системах ведущий может активизироваться и без процедуры арбитража, если им обнаружено, что магистраль в данный момент свободна, т.е. к ней не подключен ни один активизированный другой ведущий. Любой ведомый ФЭ может запросить обслуживание соответствующим ведущим, установив на магистрали запрос на обслуживание или на прерывание, если только ему разрешено устанавливать такой запрос. Ведущий - обработчик запросов, тем или иным способом определяет ведомого, установившего запрос, и выполняет процедуру обслуживания. В мультипроцессорных ИВС любой ведущий может выставить запрос на прерывание другому ведущему, указав свой адрес и характер запрашиваемого обслуживания. Таким образом, ИВС, имеющая, в частности, магистрально-модульную структуру, в общем случае состоит из некоторого множества ФЭ, часть из которых активная (АФЭ), а другая пассивная (ПФЭ). Причем, при большом количестве ФЭ, реализованных конструктивно в виде модулей или блоков, их группируют, размещая по группам в специальные каркасы (крейты или "корзины"), в которых они информационно объединены магистралью крейта. В свою очередь крейты объединяются в единую информационную систему заданной конфигурации при помощи так называемых кабельных интерфейсов. В такой системе может быть предусмотрено определенное количество процессорных АФЭ процессорные модули (МП), один из которых чаще всего выполняет функции центрального процессора системы (ЦМП), инициализирующий и организующий работу всей системы в целом. Как ЦМП, так и любой в принципе МП должны иметь возможность использовать все средства системы, т.е. иметь возможность эффективного взаимодействия с любым устройством, независимо от того в каком крейте системы оно находится. Одновременно определенные ПФЭ должны иметь возможность запросить при необходимости обслуживание любым МП системы

1.3. Основные процедуры интерфейсов
Таким образом, все средства интерфейсов, на базе которых реализована система, должны обеспечить, при минимальных аппаратных и программных затратах, эффективное выполнение основных интерфейсных процедур: - арбитраж (АРБ); - адресация ведомого ФЭ (АД); - установка и обслуживание запроса на прерывание (ЗП); - процедура обмена данными (ОД) между взаимодействующими ФЭ. Наконец, в так называемых системных интерфейсах ЭВМ, важной процедурой является запрос и реализация режима прямого доступа к памяти (ПДП). В связи с тем, что в каждый данный момент несколько ФЭ могут запросить АРБ, или же несколько ФЭ могут установить ЗП или же запросить режим ПДП, то неизбежно становятся актуальными эффективное присваивание и учет приоритетов устройств, могущих запросить выполнение этих процедур. Эти запросы должны удовлетворяться по возможности быстро, но, как правило, без нарушения текущей процедуры на магистрали интерфейса без крайней необходимости. Система присваивания приоритетов должна позволять оперативно изменять приоритеты устройств без аппаратных перестроек. При возникновении запросов нужно максимально быстро определить устройство, которое по своему приоритету должно получить доступ к запрашиваемой процедуре, а в случае запроса на прерывание, помимо идентификации источника запроса, определяется полная информация о характере действий, которые должен выполнить обработчик запроса в ответ на установленный запрос. Метод адресации должен быть таким, чтобы любому устройству системы можно было присвоить любой адрес в пределах адресного пространства доступного для МП, взаимодействующему с адресуемыми ФЭ. В случае ММС состоящих из нескольких крейтов адресация должна быть "прозрачной", т.е. формат адреса не должен зависеть от того, в каком крейте находится адресуемый ФЭ, и адресация должна выполняться за один цикл. Иначе говоря, процедура адресации ФЭ, или в оптимальном случае даже отдельных частей адресуемого ФЭ, для МП не должна отличаться от процедуры адресации некоторой ячейки системной памяти или системного регистра. Должны быть предусмотрены простые, но эффективные средства изменения (модификации) процедуры адресации. Разные модификации (моды) необходимо предусмотреть и в процедуре обмена данными. В частности, нужно иметь возможность обмениваться не только целыми информационными словами (отдельными словами или группами слов), но и любыми отдельными байтами или группами байт информационного слова. В оптимальном случае нужно иметь возможность организовать обмен данными как в синхронном режиме, так и в асинхронном. Наконец, должны быть предусмотрены средства, позволяющие, при реализации любых из перечисленных процедур, выполнять четкую фиксацию и идентификацию возможных ошибок. В интерфейсах предусматривается ряд сигналов, которые устанавливаются на соответствующих ЛС и предназначены для идентификации характера текущей процедуры, состояния магистрали: занята она или нет, и ряд других служебных, стробирующих и синхронизирующих сигналов, обеспечивающих выполнение ранее перечисленных процедур.

1.3.1. Арбитраж

Наиболее типичными являются следующие способы или методы арбитража. Цепочечный арбитраж является распространенным способом организации приоритетного доступа к управлению магистралью в мини- и микро-ЭВМ. Он осуществляется сборкой всех запросов по схеме ИЛИ к процессорному модулю, который выдает разрешение последовательно соединенным запрашивающим модулям. Здесь приоритет фиксирован и зависит от позиции запрашивающего модуля относительно процессора на системной шине. Для большей гибкость при цепочечном арбитраже вводят в некоторых интерфейсах несколько уровней запроса разрешения на управление магистраль.. Централизованный арбитраж основан на выделении специального арбитра, к которому поступают все запросы, а разрешение передается на магистраль, при сохранении арбитром одного запроса. В арбитре может быть реализован практически любой алгоритм арбитража: упорядоченный, кольцевой и смешанный приоритет. Установка арбитра в фиксированное положение на магистрали приводит к позиционной зависимости запрашивающих модулей. Распределенный арбитраж основан на распределении фиксированных или программируемых приоритетов по всем модулям, которые могут участвовать в процедуре арбитража. Ведущие запрашивают магистраль установкой своих приоритетов (приоритетных кодов на нескольких линях связи магистрали). При этом осуществляется автоселекция старшего по приоритету с помощью логики, размещаемой в каждом модуле. В этом случае модули позиционно и приоритетно независимы и не имеют цепной связи. Текущий ведущий идентифицируется всеми модулями на магистрали во время арбитража. Смешанный арбитраж предполагает использование комбинации различных методов

1.3.2. Способы задания адреса и приоритета устройств
Адрес устройства, как и его возможный приоритет, могут задаваться местоположением устройства на магистрали. Если такой адрес задается средствами, предусмотренными на магистрали, то говорят о "географическом" адресе; если же адрес задается аппаратно переключателями, расположенными в самом устройстве, то в это случае адрес "физический". Такими же способами можно задавать приоритет устройства. Как адрес, так и приоритет могут быть заданы записью соответствующей информации в некоторые статусные регистры устройства при инициализации системы. Такой адрес устройства называется "логическим". Очевидно, что логические адреса и приоритеты можно менять программно в процессе функционирования системы и тем самым оперативно изменять ее конфигурацию. Сама процедура адресации может выполняться различно в зависимости от типа конкретного интерфейса. Так например, адресация ведомого может осуществляться в процессе выполнения специального цикла адресации, который завершается ведущим по получению ответа от адресуемого ведомого. Если же протоколом интерфейса не предусмотрен цикл адресации, то адрес ведомого может устанавливаться во время цикла данных: или один раз в начале этого цикла, или же во время записи/чтения каждого слова данных. Конкретные практические способы задания адреса и приоритета устройствам и реализации процедуры адресации будут рассмотрены при описании распространенных стандартных интерфейсов.

1.3.3. Запрос прерывания
В случае системной магистрали ЭВМ различают три основных способа передачи данных: программно-управляемая передача, передача в режиме прерывания (она используется и в СИ МММС) и прямой доступ к памяти (ПДП). Передача данных в режиме прерывания инициализируется по инициативе некоторого внешнего устройства (ВУ) (в случае СИ МММС - ведомого или ведущего), которое вырабатывает специальный сигнал, называемый запросом на прерывание. Используются два метода реализации запроса на прерывание: прерывание с опросом и прерывание по вектору. В первом случае с помощью аппаратных или программных средств производится поочередный опрос всех устройств, которые могли бы выставить запрос на прерывание, пока не обнаружится устройство, запросившее прерывание. Приоритет устройства определяется его местом в последовательности опроса. Во втором случае управление по запросу непосредственно передается на подпрограмму обслуживания, адрес которой определяется вектором, устанавливаемым на шину данных запрашивающим устройством. В данном случае опрос не требуется и время реализации прерывания меньше, чем в предыдущем случае. Аппаратный опрос обычно реализуется при помощи последовательной цепочки: "дейзи-цепи", и выполняется по жесткой логике. Все устройства или модули, которые могут запросить прерывание, подключаются к этой обычно единственной дейзи-цепи. Каждый модуль по этой цепи принимает сигнал опроса, который устанавливается процессорным модулем обработчиком запросов на прерывание. Если модуль не устанавливал запрос, то он пропускает этот сигнал дальше по дейзи-цепи. В противном случае он блокирует дальнейшее прохождение этого сигнала и выставляет на шину данных информацию, которая его идентифицирует. После этого запрашивающее устройство посылает информацию, необходимую для работы соответствующей программы прерывания. Очевидно, что в этом случае приоритет устройства определяется его местом на дейзи-цепи относительно обработчика запросов на прерывание.

1.3.4. Обмен данными
Программно-управляемая передача данных всегда выполняется под управлением процессора и может быть синхронной или асинхронной. При синхронной передаче синхронизирующие сигналы (стробирующие сигналы) ведущего задают определенный временной интервал (длительность стробирующего сигнала), в течение которого действительны данные, установленные на магистрали. Синхронизирующие сигналы выдаются с фиксированной задержкой по отношению к моменту выдачи данных на магистраль и заканчиваются раньше снятия данных с магистрали. Эти временные интервалы определяются наибольшим временем задержки в системе передачи данных. Ас и н х р о н н а я п е р ед ач а д а н н ы х , ч а с то н а з ы ва е м а я о б м е н ом п р и п ом о щ и "рукопожатия" (handshake), характеризуется наличием управляющих сигналов: передача данных с квитированием. Ведущий устанавливает сигнал ведомому, указывающий, что на шине данных установлено очередное информационное слово или же, что нужно установить слово на шину данных. Ведомый по этому сигналу принимает информационное слово или выставляет его на шину данных, после чего посылает ведущему ответный сигнал, по которому ведущий снимает свой управляющий сигнал, после чего ведомый сбрасывает ответный сигнал. При такой передаче данных хорошо согласуются возможные различия в скорости работы ведущего и ведомого. Асинхронная передача данных может выполняться одиночными словами или блоками этих слов. В первом случае посылке каждого слова предшествует процедура адресации приемника информации или же каждое слово данных сопровождается адресом ведомого. Во втором случае процедура адресации выполняется только один раз в начале передачи блока данных. Очевидно, что в этом случае скорость передачи существенно выше. При синхронной передаче практически всегда процедура адресации приемника выполняется также только один раз в начале передачи данных в этом режиме. Интерфейсы и соответствующие им магистрали бывают параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. В первом случае информационное слово любой разрядности передается по магистрали одновременно (параллельно). Во втором - слово передается поразрядно по одной ЛС магистрали (бит-последовательная передача). В третьем случае слово передается последовательно по-байтно (байт-последовательная передача).

Рис.1.2. Режимы обмена данными. Режим обмена информацией между ФЭ системы может быть односторонним (симплексным, рис.1.2а), двусторонним поочередным (полу-дуплексным, рис.1.2b), двусторонним одновременным (дуплексным, рис.1.2с) и двусторонним поочередным (мультиплексным, рис. 1.2d) когда структура связи между ФЭ системы магистральная. В симплексном режиме только один из двух абонентов может инициализировать передачу информации и только в одном направлении - прямом или обратном. В полудуплексном режиме любой из двух абонентов может начать передачу информации, если линия связи интерфейса свободна, т.е. этот режим обеспечивает поочередную передачу данных в двух направлениях поочередно. В дуплексном режиме каждый из двух абонентов может начать передачу в любой момент времени и в любом направлении, т.е. этот режим позволяет передавать данные одновременно в двух направлениях. В мультиплексном режиме в каждый момент времени связь может быть осуществлена между любой парой абонентов из группы абонентов, объединенных между собой общей магистралью. Причем, передача данных между очередной парой абонентов может осуществлена в любом, но единственном направлении от одного из абонентов к другому.

1.3.5. Запрос режима ПДП
Для внешних устройств (ВУ), которые характеризуются интенсивным обменом данными с системной памятью ЭВМ, наиболее эффективен обмен в режиме ПДП. В этом случае ВУ связывается с памятью непосредственно, минуя процессор. Для реализации такого режима ВУ активизирует запрос режима ПДП, в ответ на который процессор, после завершения выполнения текущей команды, блокирует свои шины адреса и данных и вырабатывает сигнал разрешения режима ПДП. Управление системной магистралью, точнее шиной данных и адреса, передается контроллеру ПДП устройства, запросившего режим ПДП. При передаче блока данных в этом режиме контроллер ПДП выдает начальный адрес, переадресовывает память после передачи каждого информационного слова и подсчитывает число переданных слов. После завершения

передачи контроллер или снимает сигнал запроса режима ПДП, или же устанавливает соответствующий запрос на прерывание. Когда в системе предусматривается несколько устройств, способных запросить режим ПДП, их приоритет может формироваться посредством подключения соответствующих контроллеров ПДП к дейзи-цепи, по которой передается сигнал разрешения режима ПДП.

1.4. Линии связи и интерфейсные микросхемы
Для того, чтобы обеспечить надежное и максимально быстрое выполнение всех перечисленных процедур, особенно процедуры обмена данными, при аппаратной (физической) реализации интерфейса необходимо выполнить ряд требований. В частности, все ЛС магистрали интерфейса должны быть самым тщательным образом согласованы и иметь минимальные "паразитные" распределенные реактивные элементы: индуктивность и емкость. Конструкция магистрали должна быть такой, чтобы до минимума свести влияние перекрестных и любых внешних помех. Сигналы, при помощи которых обмениваются информацией ФЭ, входящие в состав рассматриваемой информационной системы, и ЛС, по которым передаются эти сигналы, являются важнейшими компонентами аппаратной реализации интерфейсов. Детальный анализ типов и характеристик сигналов и ЛС, используемых в интерфейсах, будет приведен в последующих главах. В случае кабельных интерфейсов, которые будут рассмотрены в дальнейшем, если скорость обмена данными не очень критична, а длина кабеля может быть очень большой и поэтому требуется уменьшить число ЛС интерфейса, идут на резкое сокращение скоростей выполнения перечисленных процедур интерфейса, а также на исключение таких процедур как арбитраж, запрос на прерывание, даже на исключение процедуры адресации (кабельный интерфейс "точкаточка"), а обмен данными выполняется или бит-последовательно, или же байт-последовательно. Тем самым количество ЛС магистрали доводят до двух сигнальных ЛС, а в некоторых случаях и до одной сигнальной линии связи. Приемопередающие интегральные схемы: микросхемы (МС), связывающие ФЭ с ЛС интерфейса, должны быть максимально быстродействующими. Передатчики и приемники должны иметь минимальные выходные и входные емкости соответственно. Основными типами интерфейсных МС являются: магистральные приемопередатчики, коммутаторы магистралей, шинные формирователи, устройства обмена информацией, многоцелевые буферные регистры, программируемые каналы ввода/вывода, системные контроллеры. Различают три группы параметров интерфейсных МС: энергетические, электрические (входные и выходные) и динамические, с которыми можно ознакомиться по обширной справочной литературе по интегральным схемам. Наконец, надо отметить немаловажное значение разъемов, при помощи которых устройства подключаются к магистрали. Эти разъемы должны обеспечивать надежный, стабильный контакт и вносить минимальную паразитную емкость.

Глава 2. СТАНДАРТНЫЙ ИНТЕРФЕЙС

2.1. Общие понятия о стандартном интерфейсе
Как уже отмечалось, сложные информационные системы и отдельные сложные устройства, входящие в их состав, создаются путем агрегатирования из необходимых стандартных блоков и модулей, в качестве которых используются унифицированные функциональные элементы, применяемые в различных ИВС. Такой способ реализации ИВС существенно облегчает процедуры их конструирования, эксплуатации, ремонта и модернизации. ФЭ, из которых формируется ИВС или отдельные устройства системы, должны легко и оперативно заменяться, но в то же время эффективно объединяться в общую структуру ИВС. Для того, чтобы иметь возможность использовать в ИВС различные унифицированные ФЭ в первую очередь необходимо обеспечить их совместимость с точки зрения организации процедуры обмена информацией, т.е. необходимо унифицировать аппаратные и программные средства, организующие обмен информацией между ФЭ. Иначе говоря, унифицированные ФЭ должны использовать некоторый общий интерфейс. Совместимость унифицированных ФЭ обеспечивается, так называемыми, стандартными интерфейсами (СИ), стыками и протоколами. Ранее отмечалось, что под понятием интерфейс подразумевают со-вокупность аппаратных (физических) средств и правил (функциональных, логических средств), обеспечивающих взаимодействие функциональных элементов (модулей, компонентов) информационных систем с целью обмена информацией между ними. В стандартных интерфесах вся совокупнасть этих средств или же основная их часть в обязательном порядке должна быть унифицирована. Отсюда следует, что стандартный интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных ФЭ в ИВС при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости этих элементов. Все перечисленные средства стандартного интерфейса (СИ) должны обеспечить строгое выполнение протокола специфического для данного СИ. Информационная совместимость - это согласованность взаимодействия ФЭ в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют: структуру и состав унифицированного набора шин (групп ЛС); набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функциониро-вания; способ кодирования и формат команд, данных, адресной информации и информации состояния; временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие. Можно выделить ряд основных функций, стандартная реализация которых обеспечивает информационную совместимость: селекция информационного канала, магистрали (процедура арбитража), синхронизация обмена инфор-мацией, координация взаимодействия, функции обмена и преобразования формы представления информации. Условия информационной совместимости влияют на объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также на основные технико-экономические показатели интерфейса. Электрическая совметимость - это согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса и техническую реализацию приемопередающих элементов (ППЭ). Условия электрической совместимости определяют: тип ППЭ; соотношение между логическими

и электрическими состояниями сигналов и пределы их изменения; коэффициенты нагрузочной способности ППЭ и значение допустимой емкостной и резистивной нагрузки в устройстве; схему согласования ЛС; допустимую длину ЛС и порядок подключения ЛС к разъемам; требования к источникам и цепям электрического питания; требования по помехоустойчивости. Условия электрической совместимости влияют на основные показатели интерфейса, в частности на скорость обмена данными, предельно допустимое число подключаемых устройств, их конфигурацию, расстояние между этими устройствами и помехозащищенность. Конструктивная совместимость - это согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств. Условия конструктивной совместимости определяют типы: соединительных элементов (разъем, штекер и распределение линий связи внутри соедини-тельных элементов); конструкции платы, каркаса, стойки; конструкции кабельного соединения. Условия конструктивной совместимости в рекомендациях стандартных интерфейсов не всегда установлены полностью, а в некоторых могут отсутствовать или определять несколько вариантов использования. Аппаратная или физическая реализация СИ обеспечивается, в частности, с помощью ранее упомянутых ЛС, которые обычно группируются в шины различного функционального назначения. Совокупность всех ЛС интерфейса принято называть магистралью (не путать с понятием магистральной связи между ФЭ). Различают следующие основные типы шин: адреса, данных, адреса-данных (мультиплексированная шина), команд (для управления операциями на магистрали), управления обменом (для синхронизации передачи информации по магистрали), прерывания и т.д.

2.2. Классификация стандартных интерфейсов
Большое разнообразие разработанных СИ вызвало необходимость классифицировать их по каким-то существенным признакам. В частности, в ЭВМ различают следующего типа интерфейсы: межблочный, внутриблочный, внутриплатный и внутрикорпусной (имеется в виду корпуса соответствующих интегральных схем). Различают также системный интерфейс (системную шину) и интерфейсы, предназначенные для подключения к ЭВМ различной периферии, интерфейсы, соединяющие ЭВМ с вычислительной сетью, в частности с ЛВС. Системный интерфес предназначен для сопряжения центрального процессора ЭВМ с основными системными ее устройствами: памятью, устройствами ввода/вывода. Этот интерфес является базовой частью архитектуры ЭВМ. Можно также выделить, например, три основных типа СИ: кабельный, интерфейс магистральномодульных мультипроцессорных систем и системный интерфейс (системная шина) ЭВМ. В случае кабельного интерфейса ФЭ системы объединяются между собой при помощи кабеля различной длины и различного числа ЛС в нем. Причем конструктивная реализация ФЭ в этом случае может быть произвольной. Кабельные интерфейсы (КИ) могут быть одноадресные ("точка-точка"), когда с их помощью объдиняются только два ФЭ: ведущий (инициатор) и один исполнитель. Другого типа КИ позволяют объединять несколько ФЭ, т.е. в них предусматривается процедуры адресации исполнителя, запроса и захвата магистрали одним из возможных инициаторов. Кабельные интерфейсы используются при объединении ФЭ разнесенных друг от друга на относи-тельно большое расстояние. В интерфейсе МММС, помимо функциональной и физической реализации, стандартизируется

также конструктивное исполнение ФЭ и каркасов (крейтов), в которых размещается определенное число ФЭ. Основной магистралью в этом случае является магистраль крейта. Некоторые интерфейсы такого типа предусматривают и дополнительную кабельную магистраль, посредством которой несколько крейтов объединяются в одну информационную систему. Этот тип интерфеса используется при большом числе ФЭ в системе и когда требуется большая скорость обмена информацией между ФЭ, объединенными магистралью каркаса. При организации ИВС в рамках некоторой МММС в пределах одной секции, т.е. крейта размещаются модули (блоки), обмен информацией между которыми должен происходить максимально быстро. более того, некоторые ФЭ переносятся на более низкий уровень и размещаются по возможности в пределах одного блока для того чтобы можно было использовать магистраль блока (платы), а не секции. Это позволяет не только реализовать большую скорость обмена информацией, но и большую надежность. Известно, что в любой системе наименьшую надежность имеют разъемы, при помощи которых блоки объединяются через магистраль в единую систему. В настоящее время стандартизированы четыре классификационных признака интерфейсов: 1. Способ соединения ФЭ (магистральный, радиальный, цепочечный, смешанный). 2. Способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельнопоследовательный). 3. Принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный). 4. Режим передачи информации (двусторонний одновременный, дву-сторонний поочередный, односторонний). В параллельных интерфейсах данные передаются в параллельном коде - обычно от 8- до 64- и более разрядных слов. Поэтому эти интерфесы имеют наиболее высокую пропускную способность, которая может достигать 106 ? 108 бит/с, но канал связи у них содержит большое число ЛС. Последовательный интерфейс обеспечивает передачу данных в последовательном (битпоследовательном) коде с пропускной способностью порядка 105 ? 107 бит/с при длине кабеля от десятков метров до километра. В этом интерфейсе канал связи содержит малое число ЛС, иногда состоит даже из одной ЛС. Последовательные интерфейсы, реализованные на базе волоконно-оптичеких ЛС, допускают дальность передачи до 100 и более километров при скорости передачи данных, доходящей до 109 бит/с. При больших расстояниях между сопрягаемыми ФЭ системы обычно используют так называемые связные интерфейсы (разновидность последовательных интерфейсов), которые содержат каналы связи с аппаратурой передачи данных, повышающей тем или иным физическим методом надежность передачи, в частности, благодаря формированию модулированных сигналов. Эти интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, но с небольшой скоростью: в пределах от 103 бит/с до 105 бит/с, если в качестве канала связи используются телефонные линии и тем более телеграфные. Если же для связи используется радиоканал, то очевидно, что скорость передачи резко возрастает. Считается, что более полная классификация интерфейсов основывается на совокупности нескольких основных признаков: области распространения, или функциональном назначении; логической организации; функциональной организации и физической реализации. В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно разделить на определенные классы, к которым в частности относятся: 1. Системные интерфейсы ЭВМ.

2. Сосредоточенных магистральных мультипроцессорных систем. 3. Периферийного оборудования. 4. Сетей передачи данных. 5. Программно-управляемых модульных систем и приборов. 6. ЛВС различного типа. 7. Распределенных систем общего назначения и управления. Очевидно, возможны и другие принципы классификации интерфейсов. Как уже отмечалось, в любом СИ МММС можно выделить следующие основные процедуры: - арбитраж магистрали; - адресация ведомого (или группы ведомых); - установка и обслуживание запроса прерывания; - обмен данными между ведущим и ведомым (или ведомыми). Эти процедуры должны выполняться по возможности с максимальной скоростью и надежностью. Отметим, что скорость обмена данными принято оценивать в "байт/с" или в "бит/ с", независимо от формата передаваемых информационных слов. Характер и способы реализации упомянутых процедур, в основном, и определяют эффективность СИ МММС. Что касается кабельных интерфейсов, то основными параметрами, характеризующими их эффективность, являются скорость обмена данными, длина кабеля и помехозащищен-ность. Скорость выполнения перечисленных процедур во многом зависит от качества магистрали: типа ЛС, из которых формируется магистраль, способа согласования этих ЛС, и характеристик используемых приемо-передающих МС. Конечно немаловажное значение имеет и протокол реализации этих процедур, который должен быть по возможности простым. В общем случае СИ МММС могут различаться друг от друга по следующим основным параметрам: 1. Способом захвата инициатором магистрали, т.е. процедурой арбитража. 2. Уровнем сигналов на магистрали и тем самым типом приемопе-редатчиков магистрали. 3. Предельными скоростными характеристиками магистрали. 4. Видами адресации исполнительных блоков. 5. Разрядностью данных и адреса. 6 Типом шин адреса и данных: мультиплексированные и немульти-плексированные. 7. Номенклатурой и характеристиками служебных сигналов: синхро-низирующих обмен данными, указывающих на состояние магистрали или на тип реализуемой процедуры. 8. Способом организации установки и обслуживания запросов прерывания. 9. Видами (способами) организации обмена данными. 10. Способом идентификации возможных ошибок при обмене ин-формацией. 11. Размером плат, на основе которых реализуются ФЭ в этом СИ. 12. Размерами крейта и числом слотов (станций) в нем. Как правило, широкое распространение получают такие СИ (КИ, СИ МММС), для которых имеются специализированные СБИС системных интерфейсных контроллеров (СИК). Эти контроллеры обеспечивают сопряжение системной шины и используемых в структуре ИВС процессорных модулей с магистралью СИ. СИК позволяют реализацию того или иного цикла протокола используемого СИ свести для процессора к процедурам записи/чтения в необходимой последовательности или некоторых регистров, или же ячеек памяти, освобождая тем самым процессор от выполнения детальных этапов цикла протокола СИ. Реализацию этих этапов берет на себя соответствующий СИК. Популярность СИ МММС обуславливается также и количеством

типов функциональных и процессорных модулей, изготавливаемых промышленностью в этих стандартах. Немаловажную роль играет и наличие соответствующего готового программного обеспечения. Наконец, надо отметить, что существенное отличие функциональных и физических характеристик различных СИ вызывает обычно необходимость включения в структуру ИВС специальных ФЭ: адаптеров, т.е. интерфейсных контроллеров (ИК), предназначенных для организации сопряжения и взаимодействия двух и более технических средств с различными СИ и/или протоколами. В частности, если нет соответствующих СИК, модули ИК необходимы для сопряжения системного интерфеса ЭВМ с интерфейсами периферийного оборудования, для подключения ЭВМ к ЛВС, или же для сопряжения ЭВМ с другими блоками ИВС, реализованными в рамках некоторой МММС, имеющей свой СИ. К тому же ИК используются в ИВС (АСУ или АСИ), когда их структура, по организационным или принципиальным соображениям, формируется из нескольких типов ММС или МММС, имеющих разные СИ.

Глава 3. КАБЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ
3.1. Общие понятия
Под кабельными интерфейсами (КИ) подразумеваются интерфейсы, предназначенные для организации сопряжения между отдельными устройствами ИВС, разнесенными на относительно большие расстояния. В частности, КИ используются для организации связи между ЭВМ и различной периферией, поэтому КИ часто называют интерфейсами периферийного оборудования. В стандартных КИ унифицируются протокол, кабель или магистраль, а также в большинстве случаев разъемы, при помощи которых устройства подключаются к кабелю интерфейса. Следовательно стандартные КИ обеспечивают только информационную и электрическую совместимость, а условия конструктивной совместимости, кроме унификации разъемов, полностью отсутствуют. Последовательные КИ обеспечивают бит-последовательную передачу данных, другие параллельные КИ, позволяют передавать данные байт-последовательно, а некоторые из них предназначены для передачи параллельно 8-, 16-, 24- и более разрядных информационных слов. Каждый из этих типов КИ в свою очередь разделяется на две категории: одноадресные, т.е. двухточечные (или "точка-точка"), предназначенные для организации радиальных, цепочечных и кольцевых структур; и многоточечные, используемые при магистральном подключении устройств. Далее относительно подробно будут рассмотрены некоторые наиболее распространенные последовательные КИ: ИРПС (Current loop или СL), типа RS, т.е. RS-232С (этот интерфейс также обозначают как V24 или EIA-232-D), RS-422, RS-423, RS-485; а также два параллельных КИ: ИРПР (RS-4421) и SCSI.

.2

Последовательные кабельные интерфейсы

3.2.1. Интерфейс ИРПС
Последовательный кабельный интерфейс ИРПС предназначен для организации бит-

последоватльной передачи информации между устройствами когда скорость передачи данных может быть относительно небольшой, а расстояния между сопрягаемыми устройствами большие. Этот интерфейс обеспечивает асинхронную передачу постоянным током ("токовая петля") по 4-х проводной дуплексной связи. В обоснованных случаях допустима и цепь, по которой указывается состояние ведомого устройства. Передача информации осуществляется последовательно побитно с регулярной скоростью, определяемой стандартом или соглашениями. Различают три цепи интерфейса ИРПС: 1 - передаваемые данные; 2 - принимаемые данные; 3 необязательная цепь - готовность приемника. Цепи 1, 2 в интервале между передаваемыми знаками и словами находятся в состоянии логической "1". Состояния логических "1" или "0" должны удерживаться в течение целого интервала сигнала. В случае, если ведомое устройство предназначено только для приема, цепь 1 остается разомкнутой. Цепь 3 в состоянии "1"/"0" указывает на готовность/неготовность приемника к приему новой информации. Формат передаваемой информации (в битах) следующий (рис. 4.1.): старт - 1; передаваемые данные - 5,7 или 8; четность - 1 или отсутствует; стоп - 1,5 или 2 бита

Рис. 3.1. Формат передаваемой информации Источником тока может быть передатчик информации или приемник. Вариант с активным передатчиком приведен на рис. 3.12, а с активным приемником - на рис. 3.13. По величине передаваемого тока различают два варианта интерфейса ИРПС: 40-мА токовая петля: лог. "1"/"0" - 30...50/5...10 мА; 20-мА токовая петля: лог. "1"/"0" - 15...25/0...3 мА. Таким образом, при 20-мА токовой петле логическому "0" соответствует ток £ 3 мА, а логической "1" - ток ³ 15 мА

Рис. 3.2. Каждая цепь интерфейса представляет собой пару проводов, которые образуют канал связи. Передача сигналов осуществляется посредством включения и выключения соответствующего источника тока (20 мA или 40 мA). ЛС развязываются при помощи оптронов или со стороны передатчика, или же со стороны приемника. На рис.3.13 (глава 3) приведен вариант двухсторонней развязки. На рис.4.2 показана практическая схема реализации 20 мA токовой петли для связи ЭВМ с телетайпом, а на рис.4.3 - с дисплеем.

Рис. 3.3. Цепи взаимосвязи обеспечивают передачу сигналов со скоростью 9600 бит/с на расстояние от 0 до 500 м, а при длине кабеля доходящей до 2000 м обеспечивается

скорость порядка 1 Кбит/с, т.е. при передаче на большие расстояния пропорционально понижается скорость передачи. Цепи взаимосвязи выполняются витой парой. Типы разъемов и кабеля не регламентируются. В связи с тем, что в ИРПС сигналом является токовая посылка, причем достаточной величины, этот интерфейс, по сравнению с другим распространенным последовательным КИ RS-232С, отличается хорошей помехоустойчивостью и в то же время более прост в реализации. Поэтому его рациональнее использовать при расстояниях между сопрягаемыми устройствами более 20 ¸ 100 м. Преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот обычно организуется посредством СБИС программируемого универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (УСАПП), который используется и в случае применения интерфейсов типа RS. В качестве УСАПП, например, можно использовать МС КР580ВВ51, которая может обеспечить двунаправленный обмен данными в бит-последовательном режиме между ЭВМ и некоторым внешним устройством. Иначе говоря, схема организует сопряжение интерфейса ИРПС (или типа RS) с системной шиной ЭВМ. Схема может быть программно установлена в один из пяти режимов работы: асинхронный прием, асинхронная передача, синхронная передача, синхронный прием с внутренней синхронизацией и синхронный прием с внешней синхронизацией. Скорость обмена данными в синхронном режиме может достигать 56 Кбит/с, а в асинхронном - 9600 бит/с, при длине передаваемых символов 5¸ 8 разрядов.

3.2.2. Интерфейсы типа RS
Интерфейсы типа RS, особенно интерфейс RS-232С, являются наиболее распространенными для синхронной и асинхронной связи при двухточечном и многоточечном соединении периферийных устройств в полудуплексном и дуплексном режимах обмена данными. Схемы организации связи между передатчиком (S) и приемником (D) для КИ типа RS-232С, RS-422, RS-423 и RS-485 приведены на рис.4.4, а основные их характеристики - в Таблице 4.1.

Рис.3.4. Схемы организации связи между передатчиком (S) и приемником (D) для КИ типа RS. Способ организации связи посредством однопроводных (несимметричных) линий наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Так как помехи в линии пропорциональны длине ЛС и ширине полосы рабочих частот, то в интерфейсах RS-232С и RS-423 наложены ограничения на оба этих параметра. Кроме этого

для уменьшения взаимных помех скорость нарастания фронтов передаваемых сигналов ограничивается до 30 В/мкс. Интерфейсы RS-422 и RS-485 ориентированы на симметричные дифференциальные ЛС, обладающие более высокими характеристиками, чем однопроводные ЛС, что позволяет использовать более длинные ЛС и большую скорость передачи данных. Дифференциальный режим достигается применением дифференциального передатчика, согласованной ЛС (витая пара или коаксиальный кабель) и дифференциального приемника. Т а б л и ц а 4.1 Параметры интерфейса RS Параметр Линия Макс. длина линии (м) Скорость передачи информации (Кбод) Способ обмена RS-232C Однопр. несоглас. 15 20 RS-423 RS-422 RS-485 Однопр. Диффер. Диффер. несоглас. соглас. соглас. 600 1200 1200 1 100 100 4 (12 м) 104 (12 м) 100 (12 м) 10 Последов. Последов. Последов. асинхр. асинхр. асинхр. Симплекс. Полудупл. Мультипл. 1 1 (10) 32 ± 3,6 ±2 ± 1,5

Последов. асинхр. Режим обмена Симплекс. Число подключаем. ПУ 1 Вых.напряжение ± 5 - ± 15 передатчика (В) Наиболее распространенный режим передачи данных в бит-последовательных КИ является асинхронный режим. В этом режиме, как это уже отмечалось, перед каждым информационным словом, имеющим обычно длину от 5 до 8 информационных бит, передается стартовый бит или "пауза", определяемая как логический "0", а после информационных битов - один или несколько стоповых битов или "посылок", определяемых как логическая "1". Между словами постоянно передаются стоповые биты. Вследствие этого приемник синхронизируется заново при появлении каждого нового слова. Данные начинают передаваться с младшего разряда и завершаются передачей старшего, после чего может передаваться бит четности, который выбирается четным или нечетным (см. рис.4.1). Для организации обмена данными между процессором и ВУ в последовательном формате используются СБИС, представляющие собой программируемые УСАПП, например, ранее упомянутый КР580ВВ51, обеспечивающий обмен данными в асинхронном режиме до 9,5 Кбит/ с, а в синхронном - 50 Кбит/с. Сопряжение УСАПП с магистралью RS-232С организуется при помощи соответствующих приемопередатчиков. В частности при несимметричных ЛС - при помощи ИС типа 559ИП19 и 559ИП20 (рис.4.5.). Т а б л и ц а 4.2 Функции основных ЛС интерфейса RS-232 Номер Номер Обозначение Наименование Направление контакта ЛС сигнала функции передачи 1 101 FG Защитная земля 2 103 TxD(TD) Передаваемые данные к DCE

3 4 5 6 7 8 20

104 105 106 107 102 109 108.2

RxD(RD) RTS CTS DSR SG DCD DTR

Принимаемые данные Запрос на передачу Готов к передаче Готовность модема Сигнальная земля Обнаружение несущей Терминал готов

к DTE к DCE к DTE к DTE к DTE к DCE

Для бит-последовательной передачи широко используют код без возвращения к нулю, код без возвращения к нулю с инверсией и код Манчестер II. В первом случае, очевидно, что логическим "0" и "1" соответствуют уровни разной полярности. Во втором случае "1" передается отсутствием изменения полярности уровня предшествующего бита, а "0" - инверсией этого уровня. Код Манчестер II отображает каждый бит двоичной последовательности переходом уровней: если низкий уровень сменяется высоким, то передается "0", если высокий сменяется низким - "1". Переходы имеют место в середине временного промежутка, отведенные каждому двоичному биту. Каждой ЛС (цепи) интерфейса RS-232С присвоен определенный стандартом номер. Несмотря на то, что для этого интерфейса стандартизирован 25-контактный разъем, допускается использовать не все цепи. Назначение наиболее применяемых цепей приведено в Таблице 4.2. В связи с тем, что для большинства систем требуется лишь часть определенных стандартом сигналов, необходимо внимательно сличать номенклатуру используемых в оборудовании сигналов.

Рис.3.6. Варианты "нуль-модемов". В стандарте RS-232С выделяются два типа сопрягаемого оборудования: терминальное - DTE и связное - DCE, т.е. аппаратура передачи данных. Типичной аппаратурой типа DTE является компьютер, имеющий порт RS-232С, а типа DCE - модем, назначение которого будет рассматриваться чуть позже. Тип

устройства, в котором используется интерфейс RS-232С, определяет, какие контакты разъема этого интерфейса являются выходными, а какие входными. Поэтому обычно возникает проблема сопряжения двух однотипных устройств при помощи интерфейса RS-232С. Например, при сопряжении двух устройств типа DTE (два компьютера) необходимо так соединить разъемы их последовательных портов, чтобы каждое из этих устройств для другого выступало в качестве устройства типа DCE. Для такого согласования используют некий "переходник" - "нуль-модем" в произвольном конструктивном исполнении. Варианты таких "нуль-модемов" приведены на рис. 4.6. Очевидно, что такой переходник должен согласовать и тип разъемов: "вилка" или "розетка". В основе интерфейсов RS-232С и RS-423 лежит однопроводная несогласованная линия, по которой информация передается двуполярными посылками. Так, например, для RS-232С логическому "0" соответствует сигнал от +3В до +15В, а логической "1" - от -3В до - 5В. Использование чувствительных дифференциальных приемников в RS-423 позволяет в этом интерфейсе использовать более длинные ЛС и большую скорость передачи данных. В интерфейсах RS-422 и RS-485 используются дифференциальные как приемники, так и передатчики, что намного улучшают их характеристики. В RS-423 и RS-422 при одном передатчике допускается использовать 10 приемников, а в RS-485 допускаются 32 передатчика и столько же приемников. В заключение обзора интерфейсов RS-*** надо отметить, что интерфейс RS-232С широко используется и в тех случаях когда в ИВС в качестве каналов связи между отдельными устройствами, разнесенными на большие расстояния, используется телефонная сеть. Сопряжение СВТ с этой сетью организуется при помощи модемов (модулятор-демодулятор), в котором осуществляется преобразование импульсных сигналов в модулированные для передачи их по телефонному каналу и выполняется обратная процедура демодуляции сигнала принятого от этого канала. Модем с одной стороны подключается к выделенному каналу телефонной сети, а с другой - подсоединяется, в большинстве случаев, при помощи интерфейса RS-232С к соответствующему устройству СВТ (рис.4.7, 4.8 ). Существуют также модемы, изготовленные в виде платы, которая устанавливается в свободный слот ПК. При помощи, так называемых, радиомодемов организуется беспроводная связь по радиоканалам.

.3

Параллельные кабельные интерфейсы

3.3.1. Обзор параллельных кабельных интерфейсов
Кабельные магистральные интерфейсы с параллельной передачей данных широко используются в современных автоматизированных системах сбора и обработки информации в научной и промышленной сферах. К типичным задачам, для решения которых они используются, относятся: - сопряжения средств вычислительной техники (СВТ) (персональных компьютеров (ПК), рабочих станций (РС), ЭВМ среднего и большого класса, встраиваемых ЭВМ в рамках магистрально-модульных систем (ММС) с периферийными устройствами; - сопряжение СВТ с контрольно-измерительной аппаратурой; - комплексирование СВТ; - сопряжение СВТ с аппаратурой сбора и обработки информации, реализованной в рамках ММС. К числу наиболее распространенных кабельных магистральных интерфейсов, имеющих к

настоящему времени статус международных стандартов или близких к этому статусу, а также перспективных и предназначенных для решения перечисленных задач, можно отнести ИРПР (BS-4421) и ИРПР-М (Centronics), IEEE-488 (HP-IB, GPIB, приборный интерфейс (КОП) ГОСТ 26.003-80), магистраль ветви (Branch Highway) КАМАК, SCSI и SCSI-2, IPI, MXI, VIC, HIPPI. Интерфейсы ИРПР и SCSI, как наиболее используемые при сопряжении устройств СВТ, будут рассмотрены отдельно в следующих разделах.

Интерфейс IEEE-488
Интерфейс IEEE-488 предназначен для построения автоматизированных систем на основе программируемой контрольно-измерительной аппаратуры и ЭВМ. Особенностью интерфейса является отсутствие ограничений на конструктивную реализацию и способы построения устройств, а также на способы объединения их в систему. Определена только 16-линейная пассивная магистраль общей длиной до 20 м, к которой можно подключить до 15 приборов. Обмен 8-разрядными данными осуществляется между источником и приемником под управлением контроллера. В каждый момент времени контроллер может быть только один. Протокол обмена асинхронный, что обеспечивает работу на магистрали разноскоростных устройств. Максимальная скорость обмена составляет 1 Мбайт/с. Унифицируются тип разъема, с помощью которого приборы подключаются к интерфейсу, и конструктивное исполнение интерфейсного кабеля. Используется 24-контактный двусторонний штепсельный разъем, позволяющий устанавливать разъемы один на другой и закреплять их в этом положении. Такая конструкция позволяет собирать системы различных конфигураций (линия, звезда и др.).

Магистраль ветви КАМАК
Магистраль ветви (Branch Highway) КАМАК предназначена для объединения параллельным каналом до 7 крейтов КАМАК. Управляет операциями ветви драйвер ветви (Branch Driver), соединенный обычно тем или иным способом с ЭВМ. Магистраль ветви обеспечивает передачу 24-разрядных данных по мультиплексированным линиям чтения/записи (BRW) в соответствии с асинхронным протоколом обмена. Основным режимом работы ветви является командный. Драйвер ветви под управлением ЭВМ выдает во время каждой операции ветви команду, адресованную контроллеру крейта. Она включает в себя номер крейта (СR), номер станции (N), субадрес (А), функцию (F) и синхросигналы. Каждый адресованный контроллер крейта принимает команду из магистрали ветви и генерирует соответствующую операцию магистрали крейта. При записи данные передаются с линий BRW на линии W крейта, а при чтении - с линий R крейта на BRW. Возможна обработка запросов на прерывание (сигнал L) от блоков, размещенных в различных крейтах ветви. Временные соотношения между сигналами синхронизации ветви позволяют организовать цикл ветви с минимальной длительностью 1,5 мкс, что соответствует производительности 2 Мбайт/с. Магистраль ветви с 66 витыми парами для передачи всех сигналов использует 132-контактный разъем. Два таких внутренне связанных разъема для подключения к магистрали расположены на

передних панелях контроллеров крейта. При использовании промышленного телефонного кабеля его длина не должна превышать, как правило, 15 ¸ 20 м. На все сигнальные линии рекомендуется подключать на физическом конце магистрали нагрузочные сопротивления 100 Ом на +5 В.

Интерфейс IPI
Интеллектуальный периферийный интерфейс (Intellectual Peripheral Interface, IPI) предназначен для подключения к вычислительным системам средней и высокой производительности быстродействующих ПУ (НМД, НМЛ, НОД, и др.). Интерфейс является приборонезависимым и включает в себя несколько уровней. Физическая организация интерфейса определяется уровнями 0 и 1. Уровень 0 специфицирует требования к электрическим и конструктивным параметрам приемопередатчиков, кабелей и соединителей 16-разрядной параллельной магистрали, работающей на тактовой частоте 5 МГц. Уровень 1 определяет конечный автомат и процедуры для выбора и отказа от выбора ПУ, а также опроса их состояния. Из 24 активных сигналов магистрали шесть служат для управления обменом, 16 для передачи данных и два - для побайтового контроля четности. Устройства, подключаемые к магистрали, делятся на задатчиков, исполнителей и средства. Задатчик выполняет выборку исполнителя, буферизацию и формирование данных, обработку и/или коррекцию ошибок, сбоев и выдачу команд. Исполнитель выполняет команды, чтение/запись данных, выдачу сообщений, работу с интервалами, заголовками и ряд дополнительных функций. Задатчик может также передать управление ведущему исполнителю, который под контролем задатчика синхронизирует обмен. Задатчик может выбрать до семи исполнителей, каждый из которых может обслуживать до 16 устройств. Обмен между устройствами происходит в асинхронном или синхронном (потоковом) режиме. Для построения магистрали могут использоваться гибкий кабель, витые пары или жгут коаксиальных кабелей; допускается использование приемопередатчиков с ОК, ТС или дифференциальных. Длина кабеля может достигать 125 м, а максимальная скорость обмена 16разрядными словами - 10 Мбайт/с. Наиболее распространен 50-контактный двухрядный разъем с возможностью двустороннего подсоединения.

Интерфейс MXI
Магистраль MXI представляет собой по существу кабельную реализацию VME и содержит 48 активных сигналов, которые передаются по ЛС, реализованных витыми парами или коаксиальными кабелями длиной до 20 м. Одна магистраль может объединять до 8 приборов. Использование драйверов с открытым коллектором и временами нарастания и спада фронтов не более 9 нс позволяет достичь максимальной скорости передачи 32-разрядных данных до 20 Мбайт/с. Адрес и данные передаются по 32 мультиплексированным линиям AD31-AD00 с контролем четности по линии PER и стробируются сигналами AS и DS соответственно. Разрядность передачи определяется сигналом SIZE. Аналогично VME, имеются пять линий модификатора адреса АМ4-АМ0, сигнал чтения/записи WR, подтверждения данных DTACK. В магистрали

предусмотрены линия сообщения об ошибке BERR и единственная на основном кабеле линия прерывания IRQ. Первый прибор в цепочке магистрали MXI является системным контроллером и организует простую последовательную цепь арбитрации для многопроцессорной работы на кабеле. Для арбитрации используются четыре сигнала, BUSY, BREQ, GRANT IN и GRANT OUT.

Интерфейс VIC
Интерфейс VIC (VMEbus Intercrate Connections) предназначен для создания многокаркасных систем на основе каркасов VME. Кабельная магистраль VIC общей длиной до 100 м может объединять до 31 прибора. На магистрали поддерживается многопроцессорная работа и высокоскоростные передачи по 32разрядным линиям с мультиплексированием адреса и данных. Для организации многопроцессорной работы распределенная арбитрация из-за значительных времен распространения сигналов в кабеле неудобна, поэтому для магистрали VIC адаптирована классическая схема BUS REQUEST/BUS GRANT с приоритетами, задаваемыми последовательной цепочкой (daisy-chain, дейзи-цепочка). При этом каждый прибор, получая управление магистралью, принимает на себя функции арбитра, т.е. реализуется механизм "вращающегося арбитра" (rotating arbiter), что уменьшает среднее время арбитрации на кабеле. Обмен на магистрали происходит по схеме Master-Slave, состоит из фазы адреса и фазы данных. Специфицировано два типа протоколов обмена: асинхронный (Compelled) и синхронный (Noncompelled, NC) двух типов: NС1 и NС2. В асинхронном режиме Master выставляет номер прибора, адрес и синхросигнал AS. Каждый подключенный прибор проверяет линии идентификации, чтобы определить, участвовать ли ему в цикле обмена. Участвующий Slave выставляет затем WAIT. В цикле данных происходит одна или несколько передач по одному или многим (с автоинкременированием адреса в блочной моде) адресам. Синхронный протокол обеспечивает максимальную скорость обмена. В первом режиме, NС1, диалога с подтверждением нет вообще, и после адресации Master передает данные с определенной ранее скоростью (только при операциях записи) независимо от реакции Slave. В режиме ТС2 запись происходит аналогично NС1, а при чтении Slave посылает данные, синхронизируемые сигналом WAIT. На магистрали реализован простой механизм прерываний, при котором 32 сигнала (MINT31 ¸ MINT00) мультиплексируются на 8 физических линий (INT7 ¸ INT0). Управляют мультиплексированием два сигнала (INTSEL0 и INTSEL1) фиксированной (125 кГц) частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 900. Получив запрос, блок обработки прерываний (Interrupt Handler) может выполнить ряд действий: сообщить процессору о прерывании с помощью флага или локального прерывания или передать это прерывание на соответствующий каркас VME. Вектор прерывания может быть 8-, 16- или 32-разрядным, аналогично VME. Запрос может быть снят, как и в VME, в цикле подтверждения прерывания IACK (метод Release-On-ACKnowledgement, ROACK), либо специальным действием в данном приборе в стандартном цикле передачи данных (метод Release-On-RegisterAccess, RORA). Наконец, запрашивающий прерывание прибор может просто выставить и снять сигнал на линию MINTn, не требуя от Interrupt Handler дальнейших действий (метод Release-OnSyn-chronous-Action, ROSA), что минимизирует процедуру прерывания в многокаркасной

системе. Максимальная скорость передачи 32-разрядных данных на VIC составляет около 12 Мбайт/с для асинхронных и 20 Мбайт/с для синхронных передач. Средняя скорость существенно зависит от длины кабеля и может быть в 3 ¸ 5 раз меньше. В кабеле интерфейса 64 витые пары, требующие 4 разъема: два для приемников (VC1-i и VC2-i) и два для передатчиков (VC1-o и VC2-o). Характеристики кабеля специфицированы; в частности, время распространения сигнала в нем должно быть 6 нс/м. Рекомендованы приемопередатчики с ОК (например, AM26LS38) и с ОЭ, с возможностью объединения выходов по ИЛИ, что допускает при одновременном доступе к множеству приборов широковещательные (bro-adcast) операции. Каждая пара электрически согласуется на обоих концах.

Интерфейс HIPPI
Интерфейс HIPPI (High Performance Parallel Interface) обеспечивает двухточечное соединение двух приборов: источника (Source) и приемника (Destination) и может рассматриваться как "сверхбыстрый интерфейс RS-232". Протокол HIPPI предусматривает однонаправленную параллельную передачу 32- или 64разрядных данных на расстояние до 25 м при использовании гибкого кабеля (в этом случае для передачи всех сигналов в 32-разрядном варианте используется 50 дифференциальных пар с уровнями ЭСЛ), либо до 10 км при использовании оптического кабеля. Адресная структура HIPPI позволяет организовать многоточечную связь с применением специального коммутатора. Передача данных ведется блоками по 256 (или менее) слов с коррекцией ошибок по четности и контрольной сумме (Length/Longitudinal Redundancy Checkword (LLRC)). Один или несколько блоков образуют пакет, а ряд пакетов - соединение. Максимальная скорость может достигать 100 Мбайт/с для 32-разрядных и 200 Мбайт/с для 64-разрядных данных. Для организации дуплексного обмена необходимо использовать два параллельных канала, либо два различных блока в конструктивах каждого из приборов, участвующих в обмене (источник и приемник), или же оба эти порта объединяются на одной плате. Интерфейс HIPPI представляет собой также достаточно простое и удобное средство сопряжения аппаратуры сбора данных с ЭВМ. Можно ожидать, что основными направлениями применения HIPPI станут организация высокоскоростного межкомпьютерного обмена, а также связь с быстродействующими стандартными (такими как НМД, сетевые устройства и др.) и нестандартными (например, источники и приемники информации в рамках ММС) ПУ.

Интерфейс SCI
В основе интерфейса SCI (Scalable Coherent Interface), реализованного по схеме "точка-точка", лежат две основные идеи: пакетные передачи в кольцевой структуре, и реализация множественности соединений (т.е. параллельной многопроцессорной работы). В названии интерфейса отражены масштабируемая разрядность - от 16 с возможностью увеличения до 64 и 256 разрядов (scalable) и согласованное использование ресурсов системы (coherent). Приборы или узлы (nodes), отвечающие протоколу SCI, соединяются между собой отдельными сигнальными линиями с однонаправленной передачей, которая осуществляется дифференциальными сигналами в уровнях ЭСЛ. К этим сигналам относятся 16-разрядные

данные, два разряда флагов, разряд четности и линия строба. Использование современных схем ЭСЛ позволяет передавать 16-разрядные слова с частотой 500 МГц, что соответствует скорости 1 Гбайт/с. Предельное расстояние, однако, ограничено несколькими метрами. Механические параметры плат и каркасов аппаратуры SCI, как и тип используемого разъема совпадают с требованиями стандарта FUTUREBUS+. Поле адреса составляет 64 разряда, из которых 48 отведено для внутренней адресации в узле, а 16 - для адресации самих узлов. Таким образом, система может объединять до 64К процессоров. Обмен между узлами ведется пакетами. Каждый пакет включает в себя 64-битный адрес, 16, 64, или 256 байт данных, а также управляющую и статусную информацию. Контроль передачи осуществляется с помощью избыточных циклических кодов (СRС). Т а б л и ц а 3.3 Основные характеристики кабельных интерфейсов Параметр Разрядность адреса Разрядность данных IEEE-488 CPB** 31 8 SCSI IPI VIC [SCSI-2] 7* 24* 8* 8 8* 16 32 16 24 8 [16,32] 16 16/32 A/D 7 15-20 А C 2 Ф Нет Нет Нет 132/66 Нет A/D 8* 8 25 А/C C/Д 5 [40] Л,Ф Есть Распр. Четн. 50/25 [68/29] Есть A/D 8* 8 125 А/C C/Д 10 AD 31 100 А/C Д 12/20 MXI 32 16/32 AD 8 20 А/C C 20 HIPPI SCI 16+48 32 16(64,256 ) AD 1 65536 25 C C Д Д 100 1000

Тип шины*** A/D Количество приборов 15 Макс. длина магистрали, (м) 20 Протокол передачи**** А Способ передачи***** C Максимальная скорость, 1 Мбайт/сек Адресация****** Л,Ф Многопроцессорная работа Огранич. Метод арбитрации Програм. Контроль передачи Количество контактов (о/а)* Наличие бИС Нет 24/16 Есть

Л,Ф Л,Г Л,Г Л,Г Нет Есть Есть Нет Нет Нет Распр. Послед. Распр. цепь Четн. Нет Четн. Четн. CRC 50/24 128/64 62/49 100/50 Нет Нет Нет Есть

* - общее/активное; ** - CAMAC Parallel Branch; *** - A/D - немультиплексированная шина, AD - мультиплексированная; **** - А - асинхронный, С - синхронный; ***** - С - синфазные сигналы, Д - дифференциальные; ****** - Л - логическая, Г - географическая, Ф - физическая. В заключение обзора кабельных интерфейсов надо еще раз отметить, что радикальным способом решить многие проблемы высокопроизводительного обмена данными на значительные расстояния (повысить скорость передачи, увеличить помехозащищенность и др.) является

замена гибкого кабеля, витой пары или коаксиального кабеля волоконно-оптической линией связи (ВОЛС). Однако по решающему для пользователя показателю производительность/ стоимость для рассмотренного круга задач оптоволоконные интерфейсы (такие, как, например, Fiber Channel) в ближайшие годы еще не смогут конкурировать с классическими кабельными. Основные характеристики рассмотренных КИ с параллельной передачей данных, а также интерфейса SCSI, приведены в Таблице 3.3.

.2

Интерфейс ИРПР

Интерфейс ИРПР и его модернизированный вариант ИРПР-М предназначены для радиального подключения устройств с параллельной передачей байта данных и в основном используется при сопряжения периферийных устройств с мини- и микро-ЭВМ. Состав ЛС интерфейса и наименования управляющих сигналов приведены в Таблице 4.4. Устройство, реализующее функции как источника (И), так и приемника (П) использует два набора ЛС. Стандарт позволяет передавать данные в виде 8- и 16-разрядных слов, но можно использовать и меньшее число разрядов данных. Обмен данными осуществляется в жестком режиме "запрос-ответ". Все сигналы определяются на стороне устройства-инициатора. Сигналы на линиях должны иметь ТТЛ-уровни и нужно использовать отрицательную логику, т.е. логической "1" должен соответствовать низкий ТТЛ-уровень, а логическому "0" - высокий. Сигналы на ЛС выставляются при помощи МС с открытым коллектором и с допустимым током нагрузки не менее 40 мФ. Сигналы с ЛС принимаются посредством МС с входными токами не более 1,6 мA. В качестве кабеля можно использовать необходимое число скрученных витых пар или же плоский многожильный кабель с волновым сопротивлением равным 110 - 120 Ом. Длина кабеля должна быть не более 15 м. Скорость передачи данных может достигать 500 Кбайт/с, или же 1 Мбайт/с, если данные передаются в виде 16-разрядных слов. Тип разъема и назначение его контактов обычно не регламентируются. Согласование с волновым сопротивлением ЛС обеспечивается на входе приемника, например, резисторами 150 Ом на +5 В и 390 Ом на 0 В. Сопряжение интерфейса ИРПР ( и ИРПР-М) с системной шиной ЭВМ можно осуществить, например, при помощи МС КР580ВВ55, которая является программируемым устройством для организации ввода/вывода параллельной информации. Схема позволяет осуществить обмен 8разрядными данными по трем независимым каналам А, В и С. Направление обмена и режим работы для каждого канала задается программно. Каналы служат для передачи и приема как данных, так и управляющих сигналов. Т а б л и ц а 3.4 Линии интерфейса ИРПР Наименование Обозначение Направление Экран S Сигнальная земля Z Готовность источника SO От И к П Готовность приемника AO От П к И Стро, источника SC От И к П Запрос приемника AC От П к И

Данные (Д0-Д7) Контр. разряд м.байта *) Данные (Д8-Д15) *) Контр. разряд с.байта *) Состояние приемника *) Состояние источника *)

D0-D7 DP0 D8-D15 DP1 A1-A8 S1-S8

От И к П От И к П От И к П От И к П От П к И От И к П

*) эти линии необязательны и могут отсутствовать

3.3.3 Интерфейс SCSI
Системный интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface, SCSI) предназначен в основном для организации сопряжения СВТ (ПК, РС, процессоры ММС, миниЭВМ) с быстродействующими ПУ. Магистраль SCSI - приборонезависимая, документами определяются лишь физический и логический уровень интерфейса. Из 18 активных сигналов магистрали девять служат для управления обменом, восемь - для передачи данных и один для контроля четности. На магистрали логическим "1' и "0" соответствуют низкий и высокий ТТЛ-уровни. Устройства, подключаемые к магистрали, подразделяются на задатчиков или инициаторов (Initiators) и исполнителей (Targets). Задатчики (I) участвуют в арбитрации за управление магистралью, адресуют, т.е. выбирают, исполнителей. Исполнители (Т) могут запрашивать передачу команд, данных, статуса и сообщений, а в некоторых случаях арбитрировать и осуществлять перевыбор задатчика для продолжения обмена. Общее количество подключенных к магистрали устройств не превышает восьми. Задатчик может адресовать до восьми устройств, подключенных к каждому из исполнителей. С помощью расширенных сообщений число адресуемых ПУ в одном исполнителе возрастает до 2048. Обмен между устройствами происходит в соответствии с протоколом высокого уровня. Универсальный набор команд, который включает в себя обязательные (М), расширенные (Е), необязательные (О), уникальные (U) и резервные (R), обеспечивает доступ к данным с помощью адресации логических, а не физических блоков. На магистрали возможны асинхронные и синхронные передачи. В асинхронном режиме используются сигналы Запрос (REQ) и Подтверждение (ACK) на передачу каждого байта. В синхронном режиме передаются только байты данных (байты команд, сообщений и статуса передаются асинхронно), стробирующиеся импульсами REQ и ACK фиксированной длительности. Обозначение линий магистрали SCSI и их назначение приведены в Таблице 3.5. Т а б л и ц а 3.5 Линии магистрали SCSI Обозначение Назначение BSY Индикация занятости магистрали SEL Выборка исполнителя или перевыборка задатчика C/D Идентификация передачи инфор. управления/данных I/O Идентификация передачи информации запись/чтение MSG Идентификация фазы "Сообщение" REQ Исполнитель готов к передаче данных

Задатчик готов к передаче данных Индикация от задатчика условий "Внимание" Индикация условия "Сброс" 8-разр. байт данных плюс один контрольный (DB (7) DB (7-0, P) старший разряд, высший приоритет в фазе "Арбитража", DB (0) - младший разряд, низший приоритет) Скорость передачи данных по магистрали достигает 1,5 Мбайт/с в асинхронном режиме и 4 Мбайт/с в синхронном, а в некоторых случаях может быть и выше и определяется реализацией адаптеров SCSI в компьютере и ПУ, зависит от длины и свойств кабеля, количества подключенных устройств и способа подключения. Максимальная длина кабельной магистрали ограничена 6 м при использовании приемопередатчиков с ОК или ТС, и 25 м при использовании дифференциальных приемопередатчиков. Наиболее часто используются 50-контактные двухрядные разъемы. Кабель согласуется с обеих сторон резисторными делителями 220/330 Ом. Протоколом предусмотрено восемь различных фаз магистрали. В каждый момент времени реализуется только одна фаза. Фаза СВОБОДНОЙ МАГИСТРАЛИ (BUS FREE) указывает, что ни один прибор не использует магистраль. Фаза идентифицируется отсутствием сигналов SEL и BSY. Фаза АРБИТРАЦИИ (ARBITRATION) позволяет одному из приборов получить управление магистралью. Она не нужна в системах с одним задатчиком, но необходима там, где используется фаза ПЕРЕВЫБОРКИ (RESELECTION), позволяющая исполнителю повторно соединиться с задатчиком для продолжения операции, которая была начата ранее и приостановлена самим исполнителем. Фаза арбитрации начинается не ранее, чем через 800 нс после освобождения магистрали (снятия сигналов SEL, BSY). Задатчик выдает сигнал BSY и свой номер ID. Через 2,2 мкс задатчик начинает сравнивать код на линиях DB со своим ID. Если код совпадает, т.е. на магистрали не появился номер ID более приоритетный, то задатчик выиграл арбитрацию и он выставляет сигнал SEL. Проигравший должен снять свои BSY, ID в течение 800 нс. Время арбитража - не более 10 мкс. В фазе ВЫБОРКИ (SELECTION) задатчики выбирают исполнителя для инициализации требуемых функций. В начале этой фазы задатчик выставляет ШВ адресуемого исполнителя и свой ID, а также сигнал SEL. Адресуемый исполнитель, если нет BSY и I/O, должен выставить BSY. Если в течение 250 мс не получен сигнал BSY от исполнителя, задатчик прекращает фазу выборки. Фаза ДАННЫХ (DATA) позволяет исполнителю передать данные задатчику (DATA IN) или задатчику передать данные исполнителю (DATA OUT). В фазе команды (COMMAND) исполнитель запрашивает командную информацию от задатчика. В фазе СТАТУСА (STATUS) исполнитель передает задатчику или задатчику статусную информацию. В фазе СООБЩЕНИЯ (MESSAGE) исполнитель передает инициатору или принимает от него сообщение. Последние четыре фазы связаны с передачей данных. Направление передачи данных определяет сигнал I/O. В асинхронном режиме передача информации задатчику инициируется сигналом REQ (данные действительны при логической "1" сигналов REQ, ACK); передача информации в

ACK ATN RST

исполнитель происходит по сигналу ACK (данные действительны). С конца 80-х годов начинает получать распространение новая версия стандарта - SCSI-2. Для повышения производительности в этом стандарте предусмотрено увеличение разрядности магистрали до 32. 8-разрядные ПУ продолжают взаимодействовать по магистрали, использующей 50-проводной кабель (кабель A) а ПУ большей разрядности связываются дополнительным 68-проводным кабелем (кабель B) с соответствующим соединителем. Кабель B предназначен для передачи трех дополнительных байтов данных. Каждый байт сопровождается своим сигналом контроля четности. По кабелю B посылаются дополнительные сигналы REQB и ACKB, синхронные с соответствующими сигналами REQA и ACKA кабеля A. Второй способ повышения производительности, предусмотренный в SCSI-2, - это сокращение ряда критических временных параметров магистрали за счет применения новейших БИС и высококачественного кабеля. Реализованный таким образом "скоростной" ("fast") интерфейс повышает производительность до 10 Мбайт/с, а совместное использование "скоростного" интерфейса и 32-разрядной магистрали ("wide") позволяет достичь производительности 40 Мбайт/с. Сохраняя преемственность с SCSI, протокол SCSI-2 имеет и ряд новых возможностей. В нем, в частности, определены расширенные наборы команд для ряда новых ПУ, расширен состав обязательных для задатчиков и исполнителей сообщений, исключены расширенные команды, введен ряд дополнительных возможностей выполнения операций. Обсуждается проект SCSI-3, в котором, в частности, предусматривается увеличение количества устройств, подключаемых к магистрали, и возможность автоконфигурации системы. Высокие технические характеристики магистралей SCSI и SCSI-2, значительные усилия по их развитию и динамично развивающийся рынок соответствующих программно-аппаратных средств делают эти интерфейсы наиболее перспективными и массовыми стандартами связи СВТ с периферией на ближайшие годы.

Глава 4. Интерфейсы магистрально-модульных систем
4.1. Общие понятия и обзор
Структура ММС и МММС имеет обычно иерархическую конфигурацию. Система строится из модулей (блоков), которые объединяются в группы, каждая из которых размещается в некотором каркасе (крейте). Модули внутри крейта связаны информационно магистралью крейта. Каждый модуль крейта, как и сам крейт в целом, могут быть подключены к некоторой внешней аппаратуре, устройствам, в частности к ЭВМ, при помощи кабельных интерфейсов, как последовательных, так и параллельных. Каркасы, в свою очередь, объединяются в сеть нужной конфигурации также при помощи КИ. Модуль каркаса (ФЭ системы) по своим функциональным возможностям может быть пассивным, т.е. всегда ведомым, или же активным, могущим выполнять функции ведущего. Обычно активные модули - это процессорные модули (ПМ), т.е. модули, в которые встроены процессоры с необходимым минимальным системным аппаратным обеспечением: память, устройства ввода-вывода и т.д. Очевидно, что в таком ПМ предусматривается локальная системная магистраль. Однако активный модуль может не содержать встроенный процессор, а подключаться к соответствующей внешней ЭВМ. Причем, такая связь может быть организована при помощи соответствующего кабельного интерфейса и порта ЭВМ, или же модуль связывается с системной шиной ЭВМ специальным адаптером, размещаем конструктивно в ЭВМ. В каждом каркасе обычно размещается, как минимум, один такой ПМ или контроллер крейта, управляющий магистралью крейта. В мультипроцессорных ММС, т.е. в МММС, в каждом крейте могут быть несколько ПМ. СИ МММС, как правило, содержат несколько магистралей, часть из которых обеспечивает высокое быстродействие при взаимодействии модулей внутри каркаса МММС (каркасная магистраль), а другая часть - предназначена для обмена информацией между каркасами и внешними устройствами. При этом каркасная, основная магистраль ориентирована на объединение внутри каркаса в единый комплекс нескольких процессорных модулей, модулей ОЗУ, контроллеров внешних запоминающих устройств и т.д. К каркасным магистралям, а в некоторых случаях и к кабельным, подключаются и беспроцессорные функциональные элементы (пассивные модули) ММС, например, такие как различного типа АЦП и ЦАП, регистры, счетчики, генераторы, амплитудные дискриминаторы, частотомеры и т.д. В ММС структурную часть системы, содержащую отдельную магистраль, принято называть сегментом. Различают каркасный и кабельный сегмент. Сегментатор (модуль связи) - это устройство, обеспечивающее связь между сегментами одного или разного типа. Совокупность всех кабельных и каркасных сегментов, входящих в структуру конкретной ИВС, реализованной в стандарте некоторой ММС, называется системной магистраль, (СМ). Иногда системной магистралью называют только каркасный сегмент. Каркасный сегмент, как уже отмечалось, может включать несколько одноплатных микро-ЭВМ и платы, расширяющие их возможности, с которыми они могут быть связаны, помимо системной магистрали крейта, также дополнительной "локальной магистралью" (ЛМ) крейта. В частности, модули памяти могут быть абонентами ЛМ или СМ. Двухпортовые модули памяти являются абонентами и локальной и системной магистрали или же системной магистрали и кабельного сегмента.

В главе 2 было уже отмечено, по каким основным параметрам могут в принципе отличаться разные СИ ММС и МММС друг от друга. В Таблице 4.1 приведены основные характеристики популярных современных СИ МММС, кроме ММС КАМАК, позволяющие в общих чертах различить специфику каждого из них. С целью уточнения этих характеристик далее рассматриваются, с разной степенью детализации, некоторые наиболее распространенные СИ МММС, предназначенные для формирования мультипроцессорных систем различной конфигурации. Т а б л и ц а 4.1 Основные характеристики популярных СИ МММС NUПараметр FASTBUS VME FUTUREBUS MB II Z-BUS VERSA K896 BUS Адрес,данные(ра 32 32 32 32 32 32 32 32 зрядн.) Тип шины AD A/D AD AD AD A/D AD AD Способ Г,Л Ф,Л Г,Л Г,Л Л Л Л Г,Л адресации ЛС моды 3 6 8 10 5 8 3 2 режимов Тип арбитража Ц Ц Р Р Ц Ц Ц Р Протокол А,С А С С А А,С А С передачи Скорость передачи (Мбайт/сек): 35 32 20 20 24 20 одиночный 70 40(57) 40 40 38 режим блочный режим Тип прерывания: с опросом по вектору + + + + ЛС диагностики 3 3 Число 83 82 71 64 73 91 49 49 сигнальных ЛС Уровни сигналов ЭСЛ ТТЛ ТТЛ ТТЛ ТТЛ ТТЛ ТТЛ ТТЛ Число станций 26 20 24 20 В Таблице 4.1 используются следующие условные обозначения: А и С - асинхронная и синхронная передача; Г, Л и Ф - географическая, логическая и "физическая" адресация (последняя задается переключателями, установленными в блоке); AD - мультиплексная шина адреса и данных; A/D - раздельные шины адреса и данных; Ц и Р - централизованный и распределенный арбитраж.

4.2. Интерфейс КАМАК
Стандарт КАМАК (или СAMAС) является одним из первых стандартных интерфейсов ММС. В

настоящее время этот СИ не совсем удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к ММС и, тем более, к МММС. Интерфейс КАМАК рассматривается не только с целью иллюстрации принципов реализации одного из классических, но старых вариантов СИ ММС, но и для того, чтобы продемонстрировать возможные способы модернизации уже действующих СИ по мере повышения требований к их техническим характеристикам. К тому же, пока еще эксплуатируется достаточно большое число ранее созданных в этом стандарте ММС и МММС. Первая версия СИ КАМАК (КАМАК-1) была ориентирована на создание только однопроцессорных ММС различной конфигурации. В дальнейшем были последовательно разработаны новые модификации этого стандарта (КАМАК-2, КАМАК-3 или КОМПЕКС), позволяющие на их базе создавать уже МММС, т.е. мультипроцессорные системы. Однако, как будет показано, характеристики любых версий СИ КАМАК все-таки существенно уступают характеристикам более новых СИ МММС. Модули в стандарте КАМАК устанавливаются в стандартный каркас (или крейт), имеющий 25 станций для подключения модулей к жестко смонтированной магистрали крейта, блок питания и вентиляционную панель. Как правило, во всех современных СИ ММС каркасная магистраль реализуется в виде многослойной печатной платы, которая закрепляется сзади к каркасу, и на которой размещается соответствующее количество разъемов, посредством которых модули, вставляемые в каркас, подключаются к магистрали. Связь между модулями, установленными в крейт, осуществляется через магистраль КАМАК. Магистраль, представляющая собой систему ЛС, является частью крейта и служит для передачи информации, управляющих сигналов и подачи питания к модулям. В каждом крейте, как минимум, две крайние станции: 25-я управляющая и 24-я нормальная, предназначены для управляющего модуля - контроллера крейта (КК). Остальные 23 нормальные станции могут быть использованы функциональными модулями (ФМ). ФМ управляются контроллером крейта, который генерирует соответствующие команды магистрали крейта. КК может быть полностью автономным или же подключен к управляющей ЭВМ. Контроллер крейта выполняет следующие функции: в соответствии с командами ЭВМ, адресуемыми ему или модулям, генерирует команды КАМАК и посылает их модулям для исполнения; организует обмен данными между модулями КАМАК и ЭВМ; информирует ЭВМ о запросах на обслуживание от ФМ и о состоянии модуля и самого контроллера при выполнении команды на магистрали КАМАК. В связи с бурным развитием микропроцессоров в последнее время используются интеллектуальные контроллеры крейта, в которых конструктивно и функционально встраиваются микро-ЭВМ, реализованные на базе микропроцессорных наборов. С необходимой периферией или другой ЭВМ связь КК осуществляется или посредством ФМ, подключаемых к магистрали крейта КАМАК, или же при помощи соответствующих средств сопряжения локальной шины микро-ЭВМ контроллера крейта КАМАК с интерфейсами периферийных устройств и других средств вычислительной техники. В последнем случае связь осуществляется через переднюю панель КК. До семи крейтов могут быть размещены в стандартной стойке КАМАК и при помощи магистрали стойки объединены в так называемую вертикальную ветвь КАМАК, которая уже была рассмотрена ранее. Здесь только отметим, что обмен информацией между крейтами этой ветви КАМАК и ЭВМ осуществляется через вертикальную ветвь с параллельной передачей данных. Этим обменом управляет соответствующий контроллер вертикальной ветви. Протяженность параллельной ветви может меняться от нескольких единиц до десятков метров.

Переход от вертикальной ветви к магистрали крейта, т.е. к горизонтальной магистрали, осуществляется контроллером крейта типа А-1. Для ИВС, структура которых предусматривает большое количество крейтов, удаленных друг от друга на значительные расстояния, используется канал с последовательной передачей данных между ЭВМ и крейтами. Этот канал представляет собой однонаправленную замкнутую цепь (кольцевую магистраль), в которую последовательно друг за другом можно включить до 62 крейтов. Протяженность последовательной ветви КАМАК может достигать несколько километров. Данные передаются побитно или побайтно с тактовой частотой ? 5 МГц. Управление такой системой осуществляется контроллером кольцевой магистрали: контроллером типа L-2. В случае сравнительно небольшой протяженности ветви (десятки метров), когда необходима высокая скорость передачи данных, используют девятипроводную связь между контроллерами крейтов и драйвером ветви L-2. Восемь ЛС предназначены для параллельной передачи байта данных, а одна - для передачи сигналов синхронизации, вырабатываемых драйвером ветви. При большей протяженности магистрали и когда скорость передачи не критична, используют только две линии связи. По одной последовательно передаются биты данных, а по другой - сигналы синхронизации. В состав горизонтальной магистрали крейта КАМАК входят сквозные и радиальные или индивидуальные линии связи. Сквозные ЛС соединяют параллельно все нормальные станции крейта с контроллером КК. Радиальные ЛС соединяют с КК каждую станцию ФМ индивидуально. Сквозные линии напряжений питания связывают все 25 станций с блоком питания крейта. Существуют два типа операций на магистрали: адресные (командные) и безадресные (общего управления). Во время командной операции КК выставляет на магистрали команду, для обозначения которой принята аббревиатура N(i) A(j) F(k), где N(i) A(j) - адресная часть, а F(k) функция или операция КАМАК. Символ N используется для обозначения номера или адреса станции крейта, причем i = 0,1,2,....,31. Символ A обозначает субадрес или адрес определенного узла ФМ. Каждый ФМ может содержать до 16 таких узлов. Ряд субадресов закреплен за определенными функциональными частями. Символ F обозначает операцию или функцию, которую необходимо выполнить адресуемым модулем. В системе КАМАК предусмотрено использование 32 функций, за каждой из которых закреплен код k (0