2. Интерфейсы систем ввода-вывода

Аппаратные интерфейсы один из основных компонентов вычислительной системы (ВС) с переменным составом оборудования. Они позволяют обмениваться данными и управляющей информацией между устройствами ВС по унифицированным правилам. Унификация правил взаимодействия дает возможность подключать к ВС разнообразные ПУ различные по назначению, быстродействию и принципу действия.

Понятие интерфейса и его характеристики. Аппаратным интерфейсом называют совокупность правил унифицированного взаимодействия между отдельными устройствами и аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации правил. Взаимодействие выполняют с помощью сигналов, передаваемых по линиям интерфейса. Унификация правил взаимодействия способствует информационной, электрической и конструктивной совместимости. Унификация и стандартизация лежат в основе построения интерфейсов.

Интерфейсы в СВВ возникают между различными уровнями иерархии ВС, поэтому требования к организации обмена очень различаются. Единый стандартный интерфейс не может обеспечить эффективную работу разных устройств, используемых на различных уровнях иерархии СВВ. Этим объясняется наличие системы интерфейсов различных рангов, которые отличаются характеристиками и степенью унификации.

В зависимости от требований унификации выделяют 2 реализации интерфейса:

- физическая (состав и характеристика линий передачи, конструкция средств подключения, вид и характеристика сигналов);

- логическая (протоколы взаимодействия или алгоритмы формирования сигналов обмена).

Система аппаратных интерфейсов является одной из основных составляющих понятия архитектуры ВС (рис. 1 а и б - интерфейсы ЕС и СМ ЦВМ).

В структуре ВС с выделенным процессором ввода-вывода (ПВВ) можно отметить 4 ранга интерфейсов:

-

Рис. 1

И1 - для обмена информацией между ОП и ЦП (ПВВ);

- И2 - для управления информации между ЦП и ПВВ;

- И3 (ввода-вывода) - для обмена между ПВВ и контроллерами ПУ. Они стандартизируются, что дает возможность использовать одинаковые контроллеры и ПУ в разных моделях ЦВМ одной системы;

- И4 (малый интерфейс) - для сопряжения ПУ с контроллером. Степень унификации И4 зависит от типа ПУ и контроллера (если контроллер предназначен для управления одним ПУ и конструктивно объединен с ним, то их интерфейс не унифицирует, а если предназначен для одновременного обслуживания множества ПУ, то соответствующий малый интерфейс нужно стандартизировать).

И

Рис. 1

1 и И2 внутренние интерфейсы. Они отражают особенности конкретной модели и не унифицируются.

Для мини- и микроЭВМ (рис. 1 б) характерно наличие системного/объединенного интерфейса И_О унифицированного для всего семейства ЦВМ, который связывает между собой ЦП, ОП и контроллеры. Контроллеры этих ЦВМ просты, т.к. управление обменом между ПУ и ОП обычно делают программно. Это позволяет для семейств ЦВМ с различными интерфейсами И_О использовать одинаковые ПУ (контроллеры разные).

Интерфейсы обычно характеризуют:

- вид связи, т.е. возможность вести дуплексную (передача в 2 направления, что требует 2 канала связи), полудуплексную (передача в 2 направления, но одновременно можно передавать только в одном) или симплексную (в одном направлении) передачу;

- пропускная способность (количество информации переданная в единицу времени);

- максимальное расстояние между устройствами (общая длина линий), соединяющих устройства интерфейса;

- задержки при передаче (вызваны подготовительными и завершающими действиями по установлению связи между устройствами).

Конкретные значения характеристик зависят от информационной ширины интерфейса, способа синхронизации, среды интерфейса, топологической структуры соединений и организации линии интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.

О

Рис. 2

рганизацию интерфейса определяет способ передачи информации (параллельной/последовательной, асинхронной/синхронной), соединения устройств и использования линий.

Последовательный интерфейс передает данные по 1 линии (может иметь дополнительные линии для сигналов синхронизации и управления). Он имеет малую скорость передачи и низкую стоимость сети связи. Его можно применять для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от центрального ядра ЦВМ (интерфейсы типа И4).

В параллельном интерфейсе сообщения передают последовательными квантами по т бит (ширина интерфейса). Каждый квант передают одновременно по m линиям (m обычно кратна байту, а наиболее распространены интерфейсы с m=8 и m=16).

Разброс параметров среды интерфейса (линия, приемо-передающая аппаратура) вызывает неодинаковые искажения фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям Л₁-Лm. Поэтому одновременно выданные ПРД сигналы на линии Л₁-Лm ПРМ принимает не одновременно (перекос информации), а в интервале (tl,t2) (рис. 2 а, б). В этом интервале ПРМ может принять любую кодовую комбинацию {x_i}, i=(l,m), отличную от комбинации {b_i}, передаваемой ПРД. Для исключения неправильного приема в параллельных интерфейсах дополнительно вводят линию стробирования. Сигнал строба STR должен поступить в ПРМ в момент t_STR, который соответствует установлению на входах ПРМ состояния {b_i} (момент выполнения условия t_STR>t2). Передавать сигнал STR нужно с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии Л₁-Лm.

t_STR > 2mах (∆τ_ij) = 2mах | t_i - t_j |,

где t_i, t_j - самый ранний и поздний моменты поступления сигналов в ПРМ по линиям i и j, соответственно при одновременной их выдаче ПРД; ∆τ_ij - возможный разброс моментов поступления сигналов по линиям Л₁-Лm, а ∆τ_STR - по линии строба.

Взаимодействие ПРД и ПРМ предполагает согласование времени передачи и приема квантов информации. При синхронной передаче ПРД поддерживает постоянные интервалы между очередными квантами при передаче всего/большей части сообщения. ПРМ независимо или с помощью поступающих от ПРД управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в темпе их выдачи.

Д

Рис. 3

ля реализации синхронного режима передачи при последовательном интерфейсе ПРД в начале сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит (символ синхронизации SYN - рис. 3). Переход линии интерфейса из состояния «0» в «1» ПРМ использует для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в ПРД. ПРМ распознает символ SYN и принимает очередной символ сообщения (начиная с 1-го бита). Постоянство интервалов передачи/приема символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами стабильной частоты ПРД и ПРМ. При нарушении синхронизации ПРД должен вставить в передаваемое сообщение дополнительные SYN. Если при последовательной передаче используют дополнительные линии интерфейса, то синхронная передача ПРД и ПРМ поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми по линиям управления от ПРД к ПРМ.

Аналогично с помощью синхронизации (стробирующий сигнал) реализуют синхронную передачу в параллельном интерфейсе. Очередной квант информации передают только после принятия, фиксации и распознания в ПРМ предыдущего, т.е. по истечении интервала Т_с. Если передачу сообщений через интерфейс производят между ПРД и одним из нескольких ПРМ, то интервал синхронизации Т устанавливают в расчете на самый медленный ПРМ, т.е. Т_с > max Т_сi

Передачу называют асинхронной, если синхронизацию ПРД и ПРМ производят при передаче каждого кванта информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт сопровождают стартовый и стоповый сигналы (рис. 3 б). Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и запускает генератор в ПРМ, стоповый - переводит линию в исходное состояние и останавливает генератор. Таким образом, синхронизацию ПРД и ПРМ поддерживают только для передачи 1 байта.

П

Рис. 3

Рис. 4

ри параллельном интерфейсе режим асинхронной передачи обычно реализуют по схеме «запрос-ответ» (рис. 4 а). ПРМ, получив сигнал по линии строба и зафиксировав байт сообщения по линиям Л₁-Лm, формирует ответный сигнал-квитанцию (RCP), пересылаемый в ПРД. Такую передачу называют передачей с квитированием (действие/процесс подтверждения установления связи). Сигнал RCP разрешает ПРД перевести линии Л₁-Лm и стробирования в исходное состояние, после чего ПРМ сбрасывает RCP. Сброс RCP разрешает ПРД передачу очередного байта. Затраты времени на асинхронную передачу Т_а очевидны (рис. 4 а) и составляют при τ_прд = τ_прм = τ,

Т_а = 4τ_Л + 2 τ_прд + 2τ_ПРМ = 4(τ_Л + τ),

где τ_Л - время распространения сигнала по линии, - τ_прд и τ_ПРМ задержки на формирование ответного сигнала в ПРМ и ПРД. Отметим, что линии Л₁-Лm используются для передачи квантов сообщения только в течение половины интервала Та.

Для увеличения пропускной способности асинхронного интерфейса реализуют «ускоренную» передачу (рис. 3 б) с 2-мя линиями стробирования (STR1/2) и квитирования (RCP1/2).

Квитирование позволяет подстроить темп и скорость обмена под конкретное устройство, несмотря на передачу сигналов в 2 направления, обеспечить высокую надежность и достоверность передачи. Обмен может прервать отказ, что ведет к отсутствию RCP. Для выявления этой ситуации применяют контроль по тайм-ауту, когда замеряют интервал времени в течение которого ПРД должен получить RCP. Если за установленный интервал Т_ТО (интервал тайм-аута) сигнал ПРД не получен - фиксируют отказ. Величина Т_ТО должна отвечать условию Т_ТО > max{Тai}, где Тai возможные интервалы между выдачей информации устройствами при отсутствии отказа.

Соединение устройств и организация линий интерфейса. Соединение между собой нескольких устройств выполняют индивидуальные линии для каждой пары (двухточечная схема) или общая для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во 2-ом случае конфликтные ситуации из-за попыток нескольких устройств одновременно использовать интерфейс избегают с помощью арбитра.

В общем случае можно реализовать такие виды обмена: передача от одного устройства другому, всем другим (трансляционный обмен); нескольким произвольно назначаемым (групповой обмен). Аппаратные интерфейсы СВВ обычно реализуют 1-й вид обмена, где оба устройства назначают произвольно или одно из них (обычно центральное) фиксируют при разработке ВС. Организация интерфейса должна давать устройству:

- возможность занимать общую среду интерфейса на время передачи сообщения. Процесс предоставления среды интерфейса одному устройству выполняется схемами арбитра;

- обращаться к другому устройству по его адресу (адресация);

- идентифицировать устройство, инициирующее обмен. Этот процесс неразрывно связан с арбитражем и его основой является последовательный опрос устройств.

Организация адресации, опроса и структура схемы управления интерфейсом определяют способ соединения устройств. По этим признакам различают радиальный, магистральный, цепочный и комбинированный интерфейсы.

Р

Рис. 5

адиальный интерфейс (рис. 5). Центральное устройство (Уц) соединено с подчиненными устройствами У1,...,Уn с помощью монопольных индивидуальных линий. Управление интерфейсом сосредоточено в Уц. При необходимости передать/получить квант информации от Уi по инициативе Уц в регистр РгА заносит адрес устройства Уi и переключатель К соединяет линии Лц с линиями Лi. При этом Уц и Уi соединяют между собой, а все о стальные отключаются и в обмене не участвуют. Если инициатива обмена исходит от Уi, то оно передает сигнал по своей линии запроса (штриховые линии), который поступает в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство управления интерфейсом (УУ) последовательно опрашивает разряды регистра РгЗ и с помощью переключателя К соединяет линии Лц с соответствующими линями Лi устройства Уi. Порядок опроса разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Уi.

О

Рис. 5

собенность радиального способа подключения в следующем: управление интерфейсом сосредоточено в центральном устройстве (согласует прием и передачу сообщения); наличие индивидуальных информационных линий (большие затраты на приемопередающую аппаратуру и кабели связи), минимальное число линий управления, простое приспособление ПУ к требованиям интерфейса, подключение и отключение устройств без нарушения непрерывной работы других.

М

Рис. 6

агистральный интерфейс (рис. 6). Уц соединено с подчиненными устройствами У1,...,Уn единой магистралью, используемой на основе разделения времени. Сигнал на любой линии магистрали доступен каждому устройству, поэтому при обмене между Уц и подчиненным устройством необходимо логически отключить все остальные. Все устройства, магистрали имеют адреса/номера, которые фиксируются как адрес устройства на специальных регистрах со стороны Уi. Адреса устройств одной магистрали не повторяются; запись адреса в регистр устройства Уi производится вручную при подключении его к магистрали.

П

Рис. 6

Рис. 6

ри обмене по инициативе Уц, он выполняет цикл адресации по передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали. Адрес поступает во все Уi, где его сравнивают с собственным адресом. При совпадение адресов устройство выдаст на магистраль готовность на прием информации от или запрашиваемую информацию для Уц.

П

Рис. 6

ри обмене по инициативе подчиненного устройства Уi исключена возможность (вначале) использования магистрали другими устройствами. Для этого предусмотрена специальная линия запросов (линия ТРБ рис. 6), на которую любое устройство может выставлить сигнал запроса/требования ТРБ. Сигнал запроса означает для Уц, что на магистрали есть одно или несколько устройств, запрашивающих обмен. Обнаружив сигнал запроса (схема анализа ТРБ), Уц разрешает занять магистраль одному из запрашивающих устройств для передачи данных. Для этого опрашивают устройства, т.е. Уц последовательно формирует адрес всех Уi до получения подтверждения запроса. Уц, получив подтверждение от Уi, прекращает формирование адресов (приостанавливает опрос), а Уi, которое опознало и подтвердило совпадение адреса, подключается к магистрали для передачи данных.

П

Рис. 6

ри магистральном способе подключения управление интерфейсом распределено между Уц (содержит схему анализа запросов и средства формирования последовательностей адресов) и подчиненными У1,...,Уn устройствами (содержат регистр собственного адреса, схемы совпадения адресов и запроса обмена). Уц разрешает конфликты одновременного обращения в соответствии с порядком опроса устройств Уi, который легко изменяют программным путем. Объем приемопередающей аппаратуры и кабельных соединений уменьшается, но усложняется схема управления в Уi. Сигналы на линиях магистрали доступны одновременно всем устройствам, поэтому для передачи адресов и данных не нужно больших затрат времени, но процедура опроса длительна из-за последовательного перебора адресов Уi.

Ц

Рис. 7

Рис. 7

епочный интерфейс (рис. 7). Подчиненные устройства У₁,...,Уn подключают к Уц последовательно, образуя цепочку в которой все устройства имеют свой адрес. Если обмен инициирует Уц, то адрес запрашиваемого устройства Уi по линии Л1 попадает в устройство У₁, где сравнивается со своим адресом. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет линии Л1 с Л2. Адрес попадает в У₂ и процедура повторяется. При совпадении адреса коммутатор - разомкнут, а устройство подключено к Уц. При цепочной схеме подключения процедуру адресации выполняют последовательно.

Комбинированный интерфейс использует магистральный принцип параллельной передачи информации, а для ускорения идентификации устройств используют управляющие линии, соединяющие устройства по радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному (магистрально-цепочный интерфейс) принципу.

Контрольные вопросы

4.1. Дайте определение понятия “стандартный интерфейс”.

4.2. В чем заключается основное назначение интерфейсов, стыков и протоколов?

4.3. Каковы основные принципы организации интерфейсов?

4.4. В чем заключаются функции схемы арбитра?

4.5. Дайте определение аппаратного интерфейса. Каковы его функции?

4.6. Что определяет организацию интерфейса?

6