Интерфейсные устройства. 
Электроника

В процессе работы микропроцессорной системы постоянно происходит обмен информацией между различными устройствами системы с помощью так называемого интерфейса. «Интерфейс» — очень широкое понятие. В зависимости от области знаний под интерфейсом могут понимать процесс диалога человека с компьютером, программноаппаратные средства для этого диалога; различают понятия «дружественного интерфейса», «пиктографического интерфейса», «системного интерфейса» и т. д. В микропроцессорных системах под интерфейсом понимают совокупность аппаратных, программных и конструкторских средств, обеспечивающих информационный обмен между устройствами системы. Это определение включает в себя три составляющие: аппаратную, программную и конструкторскую. К аппаратной составляющей интерфейса относят отдельные узлы микропроцессорной системы, через которые осуществляется обмен. К программной составляющей относят строгий порядок, алгоритм взаимодействия устройств, реализованный в виде специальных программ. Порядок следования информационных и служебных сигналов в процессе обмена информацией называют протоколом обмена. Конструкторскую составляющую образуют линии связи, объединенные в шины, по которым осуществляется передача информации. Каждая шина обеспечивает передачу какого-либо определенного вида информации, например адреса, данных или управляющих сигналов.

Параллельный и последовательный способы передачи информации

Приемники и источники информации могут находиться как в непосредственной близости, так и на значительном удалении. В зависимости от удаленности источника и приемника информации в микропроцессорных системах могут использоваться либо параллельный способ передачи информации (параллельный интерфейс), либо последовательный (последовательный интерфейс). При параллельной передаче информация передается по шинам данных (магистралям), состоящим из п параллельных проводников.

Передача информации осуществляется целыми машинными словами, причем все разряды слова данных передаются одновременно. Такой способ передачи информации может использоваться, если длина линий связи между приемником и источником обычно не превышает полутора, а с применением специальных магистральных приемопередатчиков — нескольких метров. Это связано с тем, что на частотах, с которыми осуществляется передача информации (десятки мегагерц), проявляются волновые свойства электрических сигналов и проводников. В результате сигналы, передаваемые по разным проводникам шины, доходяг до источника не одновременно, происходит «размывание» сигнала, и приемники такой информации становятся неприемлемо сложными и дорогими.

При последовательной передаче информация передается по одной линии связи разряд за разрядом. Для этого необходимо преобразование данных из параллельного кода в последовательный (при передаче) и обратное преобразование из последовательного кода в параллельный (при приеме). Расстояние, на которое может передаваться информация последовательным способом, уже не ограничено волновыми свойствами сигналов и проводников. Оно определяется лишь мощностью передатчика. В частности, во всех информационных сетях передача осуществляется в последовательном коде.

Прием и передача данных в устройствах микропроцессорной системы осуществляется через специальные буферные узлы, называемые портами. Порты могут быть параллельными и последовательными. Микропроцессоры, предназначенные для использования в системах управления, обычно имеют оба типа портов.

Синхронный и асинхронный способы обмена

Существует два основных способа обмена: синхронный и асинхронный. При синхронном обмене темп выдачи информации определяет источник, который сопровождает выдачу импульсами синхронизации. Приемник информации при этом должен принимать данные в темпе, задаваемом источником. Если приемник не успел принять информацию, она будет потеряна, так как между источником и приемником нет обратной связи. Поэтому темп передачи данных должен учитывать быстродействие приемника и рассчитывается на наихудший случай.

При асинхронном способе обмена между источником и приемником существует обратная связь. В основе этого способа лежит метод квитирования. Сущность метода в том, что источник при каждой посылке данных должен получать от приемника подтверждение о том, что данные приняты, т. е. своеобразную «квитанцию». Сигналы, обеспечивающие такой диалог между источником и приемником, называются сигналами квитирования. При посылке данных источник сообщает об этом приемнику сигналом «Данные выданы». Приемник, получив этот сигнал, считывает слово данных и выдаст приемнику сигнал «Данные приняты». Только после получения этого сигнала источник приступает к посылке следующего слова данных. При таком обмене интервал времени приема-передачи данных будет переменным, в зависимости от быстродействия источника и приемника, длины линий связи.

Радиальная и магистральная структура интерфейсов

В интерфейсах с радиальной структурой каждое из устройств системы связано с центральным устройством, управляющим обменом (концентратором), через индивидуальную группу шип с одинаковым составом линий для каждого устройства, т. е. каждому устройству выделяется собственный набор шин. Концентратор получает заявки от устройств и соединяет их между собой. Если заявки поступают одновременно от нескольких устройств, концентратор определяет очередность обмена. Радиальные интерфейсы применяются для связи с удаленными внешними устройствами.

Если интерфейс одним и тем же набором шин обеспечивает работу множества устройств микропроцессорной системы во главе с микропроцессором, то его называют системным, а шины — системными. Набор системных шин, обеспечивающих работу интерфейса, называют магистралью. В интерфейсах с магистральной структурой все шины являются шинами коллективного пользования и к ним подключены все устройства системы. В микропроцессорных системах обычно используется магистральный интерфейс. Для реализации обмена к шинам одновременно может подключаться только два устройства — приемник и источник. Порядок использования общей магистрали для организации обмена между множеством различных устройств определяется контроллером магистрали.