Классификация стандартных интерфейсов

Великое разнообразие информационно-вычисли-тельных систем достигается благодаря компоновке разных устройств посредством интерфейсов. В течение последних 10−15 лет образовалась новая специализация в компьютерных технологиях — компоновка, состав-ление систем.

Инженер, создающий систему, изучает генеральную задачу и характеристики отдельных доступных устройств, чтобы подходящие интерфейсы и режимы их работы для оптимального решения задачи. Главной областью персональных знаний инженера-интегратора являются интерфейсы.

Поскольку процессоры, памяти и периферийное оборудование выпускаются в готовом виде, именно от выбора интерфейсов и их качества зависят качества создаваемой системы. Ошибки в выборе интерфейсов приводят к большим потерям средств и времени.

Интерфейсы прошли длительный путь развития — от примитивных не стандартизированных соединений элементарных в первом цифровом компьютере ENIAK в 1944 году до комплекса стандартов на базе современного Scalable Coherent Interface (SCI), охватывающего все области информационно-вычислительных технологий наших дней.

Успехи микроэлектроники побуждали инженеров совершенствовать интерфейсы: увеличивать их быстро-действие, расширять разновидность магистралей и услож-нять логический протокол.

В свою очередь, новый интерфейс воплощался не только в новых СБИС, но и влиял на структуру микропроцессоров и памятей. В последние годы такое взаимовлияние особенно проявилось в разработках комплекса SCI.

Микроэлектроника уже дала человечеству процессоры и памяти колоссальной информационной мощности. От эффективности их использования в XXI веке зависят успехи в решении информационных, технологических и военных задач, стоящих перед народами и государствами.

Однако эта эффективность зависит от совершенства именно интерфейсов. Разработка и применение новых интерфейсов является важной задачей в разработке ИИС. Первым шагом в решении этих задач является основательное изучение интерфейсов студентами и инженерами занимающимся разработкой систем.

Стандарты на интерфейсы, однажды широко распространившись, действуют до сих пор. Интерфейсы MIL — 1553B и HP — IB, зародившиеся в 60-х годах, применяются в усовершенствованном виде и в наше время. Интерфейсы модульных систем существуют еще дольше — примером является система VME, корни которой прослеживаются в середине 70-х годов, однако и в настоящее время объем модулей не спадает.

Классификация стандартных интерфейсов

1. По структуре обмена информации

2. По порядку передачи информации

3. По архитектуре построения интерфейса

4. По природе сигнала

5. По методу обмена информацией между функциональными блоками

6. По назначению По структуре обмена информации

1. Каскадная (Цепочечная) Обмен информацией осуществляется непосредственно от блока к блоку, они управляют друг другом, и адресация не требуется.

Пример использования каскадной цепочки: измерительный цифровой канал Сигнал поступает на аналоговый вход АЦП, где преобразуется в цифровой сигнал и в дальнейшем передается от блока к блоку последовательно.

2. Радиальная (Звезда) Управление всеми блоками ведется одновременно, что обеспечивает высокое быстродействие.

Радиальная структура на примере ИВК-8

Расширитель ОШ осуществляет передачу информации радиальным способом между магистралями ОШ.

3. Магистральная Характеризуется общим каналом связи, через который с помощью ФБУ происходит обмен информацией последовательно во времени.

Пример применения магистрального интерфейса на примере простейшей локальной ИВС Данная структура позволяет подключить к микро-ЭВМ несколько различных устройств, что расширяет функциональные возможности системы

4. Радиально-магистральная Несет в себе характеристики как радиальной, так и магистральной структуры.

Пример радиально-магистрального интерфейса В данном примере передача информации осуществляется как магистрально, с использованием магистралей ОШ и крейта КАМАК с внешними устройствами, так и радиально между магистралями По порядку передачи информации

1. Последовательный Передача происходит по бит/сек, с использованием одной линии (RS-232C, RS-422, RS-423 HP-IL). Последовательные ИФ могут быть выполнены с разомкнутой или замкнутой (петлевой) магистралью, с односту-пенчатой или много ступенчатой адресацией объединяемых ФБ. Петлевая структура позволяет повысить надежность системы, а многоступенчатая адресация — сосредоточить в определенных местах значительное количество ФБ.

2. Параллельный Передача происходит по байт/сек, с использованием нескольких параллельных линий (магистраль GPIB). По сравнению с последовательным приборным ИФ позволяет получать существенно большую скорость обмена информацией, а также передаче информации по байтам. В то же время использование асинхронного обмена информацией позволяет объединять ФБ, имеющие различное быстродействие.

3. Комбинированный Интерфейс, в котором группы из определен-ного числа бит (чаще всего из 8 бит) передаются параллельно по соответствующему числу линий, а количество групп (байт) воспринимается приемниками последовательно.

По архитектуре построения интерфейса

1. Децентрализованная Система в которой информационные, вычисли-тельные и управляющие ресурсы распределены по нескольким элементам системы.

2. Централизованная Система, в которой управление взаимодействием вырабатывается общим элементом (СР).

3. Интерфейс ветви Ветвь — это конфигурация системы состоящая из контроллера ветви, из магистрали и подключенных к ней функциональных блоков. В ней работает вторая ступень централизации управления. В ИФ КАМАК могут быть использованы семь ветвей.

4. Интерфейс межмашинной связи В данной системе применяется ИММС конфигурация ветви для взаимосвязи контроллеров ветви и персонального компьютера.

По природе сигнала

1. Аналоговые Характеризуется различными видами сигналов, используемых в промышленности для сбора информации с аналоговых датчиков. В дальнейшем преобразование идет в цифровой сигнал. Используется для связи с аналоговыми устройствами. Создание аналогового интерфейса является трудной задачей. Это объясняется тем, что искажение в ней измерительных сигналов может привести к резкому ухудшению метрологических характеристик системы.

2. Цифровые Характеризуются высоким быстродействием, передачи и обработки сигнала. Передает преобразованный сигнал на компьютер, где идет переработка информации. Используется для связи с цифровыми устройствами. Этот вид интерфейсов имеет широкое распространение в промышленности, так как цифровые и вычислительные части занимают существенную долю в ИИС, и имеется тенденция к их увеличению.

По методу обмена информации между функциональными методами

1. Синхронный При синхронном методе передача (прием) информации производится в фиксированный момент времени, определенной синхроимпульсами. Характе-ризуется хорошей помехозащищенностью, просто-той организации, не реализует оптимального быстродействия.

2. Асинхронный При асинхронном методе время передачи информации различно и определяется быстродействием пары ФБ (источника и приемника). При этом реализуется рациональный режим обмена и увеличивается скорость обмена информации. стандартный интерфейс магистральный радиальный По назначению

1. Машинные ИФ Используется для построения ЭВМ и подключение к ней периферийных устройств. Примером является общая шина, шина данных и т. д. В интерфейсах ЭВМ преимущественно используется магистральный принцип построения с программным управлением процессом обмена.

В настоящее время наблюдается тенденция к унификации машинных интерфейсов для всех ЭВМ.

2. Системные ИФ Позволяют из набора функциональных блоков строить автономные СНК, способны функционировать без универсального управления ЭВМ. Пример — САМАС, ФАСБАС и другие. Эти интерфейсы предусматривают: возможность построения систем с двумя и более уровнями централизации, раздельные системы шин для информационных и управляющих потоков, магистральную систему шин, работающую совместно с несколькими радиальными шинами, связывающими все ФБ с ФБУ. В состав ИФ входят различные стандартные ФБ, позволяющие проектировать ИИС на базе строгой унификации конструкции и питания.

3. ПриборныЕ ИФ Приборные интерфейсы характеризуются максималь-ной степенью независимости от ЭВМ и позволяющей обледенить в единую СНК приборы, которые могут работать автономно. Этот интерфейс характеризуется также большой функциональной возможностью. Жесткие требования относятся к разъемам. Недостатком является достаточно сложная организация обмена информации. Пример — HP-IL, GP-IB, КОП. Эти интерфейсы обеспечивают работу с одним уровнем централизации, имеет раздельные информационные шины и шины управления относится к ИФ с магистральной системой шин.

Camac

Система САМАС (Computer Automated Measurement and Control — измерение и управление, автоматизированное с помощью ЭВМ), разработана и предложена комитетом ESONE), которые приняты международными и многими национальными организациями по стандартизации.

Основные особенности системы САМАС: модульный принцип построения; конструктивная однородность, обеспечиваемая использованием унифицированных конструкций, включая крейт для размещения функци-ональных модулей; магистральная структура информа-ционных связей между функциональными блоками; применение принципов программного управления.

В системе САМАС стандартизированы: конструк-тивные элементы, электрические сигналы и логика, терминология.

Стандарт на электрические сигналы определяет на-пряжение питания, уровни логических сигналов и до-пустимые нагрузки на входе и выходе сменных блоков.

Стандарт на логику нормализует функции сигналов, их временные зависимости и расположения на контактах соединителей.

Спецификации модульных приборов САМАС и цифровой системы интерфейса имеются в нескольких стандартах IEC (МЭК).

IEC 516 — основной стандарт, определяет механическую конструкцию вставных блоков в крейте, установленном на шасси.

IEC 552 — определяет параллельную магистраль ветви (Branch Highway), которая служит для передачи данных в системе, содержащей до семи крейтов САМАС и локальные меж соединения.

Приборный интерфейс HP-IL

Интерфейс HP-IL предназначен для построения малых кольцевых последовательных систем и сетей с низкой потребляемой мощностью и стоимостью.

Основные особенности HP-IL: используется одна двухпроводная линия, образующая замкнутую петлю, и миниатюрные импульсные трансформаторы; в случае применения качественных двухпроводных линий и трансформаторов расстояние между устройствами может достигать 100 м; архитектура — типа задатчик-исполнители, т. е. имеется один контроллер (диспетчер), а остальные устройства — исполнители; возможна работа с несколькими контроллерами в режиме разделения времени;

сообщение проходит последовательно через все устройства и в устройство-источник, где проверяется на отсутствие ошибок. Формат 11-разрядного кадра сообщения: первые три разряда (С2, С1, С0) — управляющая информация, следующие 8 разрядов — конкретное сообщение или данные. Кодирование разрядов осуществляется 3-уров-невым кодом (импульсное биполярное кодирование). Кодирование первого разряда С2 осуществляется двоичным импульсом. Первый импульс является признаком старта и обеспечивает синхронизацию во всех устройствах системы.