Понятие и классификация интерфейсов

Тема 2.8 Интерфейсы

Вся обработка информации (включая вычисления), осуществляемая ЭВМ, происходит в процессоре, который взаимодействует с другими устройствами. Некоторые из этих устройств входят в состав ЭВМ, а некоторые не входят, т.е. являются внешними, или периферийными. Для обмена информацией между этими устройствами необходимы специальные схемы, программы и правила, которые получили название средства интерфейса. Интерфейс в буквальном переводе с английского означает «внешнее лицо», т.е. то представление, которое получает внешний наблюдатель. Прежде всего, таким наблюдателем является оператор ЭВМ, вводящий исходные данные, программы, команды на выполнение задач. Он же получает информацию о ходе и итогах выполнения задач, результатах вычислений и обработки информации. Устройства, с помощью которых эти сведения вводятся и выводятся, называются устройствами ввода—вывода (УВВ). Они также входят в понятие «интерфейс». Но к интерфейсу относится и то, что воспринимается не только человеком-оператором. Все источники и потребители информации, циркулирующей внутри ЭВМ, а также между ЭВМ и соединенными с ней устройствами, тоже функционируют посредством интерфейса. Поэтому интерфейс является достаточно широким понятием. Это комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией в вычислительной технике.

Работа компьютера сопровождается интенсивным обменом информацией между МП, памятью (различными ЗУ) и УВВ. В процессе выполнения программы МП принимает команды из ЗУ команд, расшифровывает их, при исполнении команд, включающих чтение и запись, обращается к ЗУ данных, а при исполнении команд ввода—вывода — к УВВ. Эффективность решения задачи оператором на компьютере в значительной степени определяется организацией этого обмена и структурой связей между МП, памятью и УВВ.

Система шин, вспомогательной аппаратуры и алгоритмов, реализованных на этом оборудовании, предназначенная для организации обмена между МП, памятью и УВВ, и называется интерфейсом.

В функции интерфейса входят:

· дешифрование адреса устройства;

· синхронизация обмена информацией;

· согласование форматов слов,

· дешифрование кода команды, связанной с обращением к памяти или УВВ,

· электрическое согласование сигналов и некоторые другие операции.

Сложность задач, возлагаемых на интерфейс, а также недостаточная мощность буферных схем, входящих в состав БИС МП, привели к распределению средств интерфейса между различными устройствами:

· устройством управления памятью и вводом — выводом, входящим в состав МП;

· непосредственно интерфейсным устройством, являющимся промежуточным звеном между МП, с одной стороны, и памятью и УВВ, с другой;

· специализированными устройствами управления (контроллерами) УВВ, предназначенными для реализации алгоритмов управления.

Организация обмена между МП и памятью или УВВ в простейших случаях возможна на основе средств, содержащихся только в МП. Недостающие средства в таких случаях реализуются программно. Более сложные ЗУ и УВВ соединяются с МП обязательно через дополнительные интерфейсные устройства.

Существуют три способа организации связи между МП и УВВ:

1. программно-управляемая передача данных;

2. использование прерываний;

3. прямой доступ к памяти.

Интерфейс ввода — вывода служит буфером между системной шиной и внешними устройствами. Используя интерфейс ввода—вывода, можно проектировать внешние устройства независимо от структуры шины, совместно с которой он будет использоваться. Для подключения одного и того же ЗУ к двум шинам с различной структурой нужно изменить только интерфейс.

В общем случае процессор ЭВМ получает данные от нескольких источников (клавиатуры, датчики, устройства хранения данных и программ, другие процессоры и ЭВМ). Этот же процессор передает информацию на мониторы (дисплеи), прочие индикаторные устройства, ЗУ, вычислительные блоки, управляющие элементы системы. В тех устройствах, которые предназначены для оператора, информация выводится в удобной для человека форме: буквенно-цифровой текст и таблицы появляются на экране или бумаге; графики, схемы, рисунки, чертежи — на бумаге; звуковые сигналы, речь или музыка звучат из динамиков. В остальных устройствах информация проходит в форме электрических сигналов, причем не только в виде двоичных кодовых комбинаций, но и в виде аналогового (непрерывного) сигнала.

Передача данных в процессор и из него может выполняться параллельно или последовательно. При параллельном способе для каждого передаваемого разряда двоичного сообщения имеется отдельная физическая линия (провод), а при последовательном способе все разряды передаются по единственной линии один за другим, по очереди.

Внутренние интерфейсы ПК – стандартизированные шины расширения ввода/вывода. Они реализованы в виде слотов на системной плате. К ним относятся:

Шина ISA – 8-ми или 16-разрядная для подключения периферийных адаптеров, не требующих высоких скоростей обмена.

Шина EISA – 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытесняется шиной PCI.

VLB - быстродействующее 32- (64-) битное расширение (локальная шина МП). Используется для подключения контроллеров дисков, графических адаптеров и контроллеров локальных сетей. С МП пятого поколения и старше не применяется.

PCI – самая распространенная высокопроизводительная 32/64 – битная шина. Используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров SCSI, графических, видео-, коммуникационных и других адаптеров. На системной шине чаще всего устанавливают 3 или 4 слота PCI.

Шина AGP – это высокоскоростная локальная шина ввода/вывода (32-разрядная), предназначенная исключительно для нужд видеосистемы Она связывает видеоадаптер с системной памятью ПК, поэтому на материнской плате имеется только один разъем (слот) AGP.

Основные характеристики шины: разрядность шины; пропускная способность шины, которая определяется количеством бит информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность.

Интерфейсы периферийных устройств.

Интерфейс IDE – основной интерфейс, используемый для подключения жесткого диска к современному ПК. Фактически - это контроллер, встроенный в накопитель. В настоящее время его называют IDE/ATA – это обозначает жесткий диск, подключенный к 16-разрядной шине ISA.

SCSI – интерфейсная шина системного уровня, предназначенная для подключения широкого спектра внутренних и внешних ПУ, требующих высокой производительности обмена данными.

Внешние интерфейсы ПК. Для расширения функциональных возможностей ПК, подключая к нему разнообразное ПУ, и обеспечивает коммуникации с другими ПК.

Параллельный интерфейс. При параллельном интерфейсе одновременно по нескольким параллельным проводам передается несколько бит информации аналогично тому, как по многоразрядной шине происходит обмен данными между процессором и памятью. Поэтому параллельный интерфейс может быть 8-, 16-битным и т.д. Поскольку для передачи каждого бита используется один разряд в двоичной комбинации, то можно говорить «8-, 16-разрядный интерфейс». При параллельной передаче данных достигается более высокая скорость передачи информации, чем при последовательной.. Она достигает нескольких десятков мегабайт в секунду. Для увеличения пропускной способности необходимо увеличивать или число разрядов (бит), передаваемых параллельно, или тактовую частоту передачи.

Интерфейс микропроцессорных шин адреса и данных представляет собой специальные аппаратные средства, в которые (или из которых) можно пересылать данные с помощью команд чтения (или записи) памяти и чтения (или записи) сигналов УВВ. Обычно для задания режима работы интерфейсного устройства используются команды, задающие направление передачи информации и другие параметры пересылки. Эти команды управляют работой соответствующих регистров, входящих в состав аппаратуры параллельного ввода — вывода. Указанные регистры называются портами. Подсоединение к порту выполняется через соответствующий штепсельный разъем. В компьютере имеется несколько параллельных портов, через которые подключаются периферийные устройства, обозначаемые, например, LPT1, LPT2. Параллельные интерфейсные устройства сходного назначения имеют разные названия: «устройство параллельного ввода — вывода», «периферийно-интерфейсный адаптер», «универсальный интерфейсный адаптер».

Последовательный интерфейс. Последовательный интерфейс не обеспечивает столь высокой скорости передачи информации, как параллельный, тем не менее, он достаточно часто применяется в вычислительной технике. Объясняется это тем, что с помощью параллельного интерфейса экономически эффективно передавать информацию лишь на короткие расстояния. При значительном удалении источника от приемника возрастает стоимость кабелей и буферных устройств, что существенно повышает стоимость всей системы в целом.

Последовательный интерфейс позволяет передавать информацию, содержащую много бит, по одной линии (т.е. по одной паре проводов). Метод последовательной передачи данных является одним из видов синхронной передачи, при которой вместе с данными необходимо передавать тактовые сигналы. Для такой последовательной передачи не требуется несколько параллельных линий передачи данных — достаточно одной, но еще одна линия нужна для передачи тактовых сигналов.

При асинхронной последовательной передаче не требуется и отдельная линия для тактовых сигналов. Для того чтобы информировать приемник о начале передачи, по линии посылается так называемый стартовый бит. Затем передается блок данных определенного размера (например, 8 бит, начиная с младшего). Для асинхронной последовательной передачи устанавливается определенная стандартная частота.

Для определения уровней сигналов и режимов последовательной передачи используются определенные стандарты. Широко применяется разработанный Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ) стандарт V24. Ему соответствует аналогичный американский стандарт RS232. Эти стандарты позволяют, например, объединять компьютеры в глобальные сети с помощью существующих кабелей телефонных сетей. При этом необходимо использование дополнительных устройств (модемов, мультиплексоров и демультиплексоров).

Широкую популярность завоевал интерфейс USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), или шина USB. Стандарт этого интерфейса был утвержден в 1996 г. Этот стандарт максимально облегчает пользователям компьютеров подключение новых периферийных устройств, их настройку и работу с ними. Такой подход получил название plug-and-play, т.е. включил и играй (без каких-либо дополнительных забот). Это означает, что должны быть предусмотрены подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание этого устройства сразу после подключения, подбор и установка соответствующих управляющих программ — драйверов. Перечисленные операции компьютер должен выполнить сам, не требуя от пользователя каких-либо специфических сведений.

Стандарт на интерфейс USB продолжает развиваться, и уже появилась вторая его версия. Для интерфейса USB 2.0 максимальное число подключенных устройств (включая размножители) достигло 127. Обмен информацией может происходить с двумя скоростями. Высокая скорость обмена составляет 60 Мбайт/с (увеличилась в 40 раз по сравнению с первой версией). Максимальная длина кабеля для такой скорости — 5 м. Скорость обмена с медленными устройствами — 1,5 Мбайт/с при длине кабеля 3 м. В случае установки дополнительного оборудования (концентратора) можно подключать устройства, находящиеся и на большем удалении. Допускается подключение устройств с различными скоростями обмена. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применение шины USB, но существенно уменьшает число линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.

Подключаемые периферийные устройства обеспечиваются напряжением питания 5 В при потребляемом токе 0,5 А. Этого достаточно для питания клавиатуры, мыши, джойстиков и некоторых других устройств.

Интерфейс USB особенно удобен для подключения дополнительных внешних ЗУ. Он позволяет иметь в качестве сменного накопителя информации не трехдюймовую дискету емкостью 1,44 Мбайт, а накопители в сотни раз большей емкости. На практике лучше всего использовать флэш-память, поскольку для нее не требуется никакого дисковода.

Этот интерфейс наиболее подходит для часто подключаемых и отключаемых приборов, таких как цифровые камеры.

Подключение всех периферийных устройств к компьютеру с использованием интерфейса USB осуществляется через специальную плату внутри системного блока, которая носит название хост.В английском языке слово host имеет два значения: хозяин таверны и множество. Технический термин «хост» следует понимать как устройство, по-хозяйски управляющее многими другими устройствами.

Для того чтобы к одному порту интерфейса USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы. В английском языке hub — втулка (а от нее идет много спиц, т. е. связей). Корневой хаб находится внутри компьютера вместе с хостом, к которому он непосредственно подключен.

Все передачи данных по интерфейсу управляются хостом, а сами данные передаются в виде пакетов, т. е. наборов некоторого числа нулей и единиц, несущих определенную информацию. Это пакет - признак, пакет с данными, пакет согласования.

Все эти пакеты (вместе с напряжением питания) передаются по четырехпроходному кабелю, заканчивающемуся стандартными разъемами

Шина IEEE 1394 – это стандарт на высокоскоростную локальную последовательную шину, который был разработан на основе технологии FireWire. С помощью этого интерфейса можно подключить практически все устройства, способные работать с SCSI – это все виды накопителей на дисках, цифровые видеокамеры.

Высокоскоростной последовательный интерфейс FireWire (огненный провод) имеет характеристики, близкие к характеристикам интерфейса USB, появился раньше его, но менее распространен, поскольку более дорог. Он также обеспечивает питанием подключаемые устройства. При этом потребляемый ими ток в три раза больше, чем у USB — 1,5 А, однако общее число подключаемых устройств вдвое меньше. На практике редко требуется подключение более десятка периферийных устройств, но и в этом случае проблемой является большое число кабелей. FireWire расширяет систему Plug and Play.

Современные платы используются на основе чипсетов – наборов из нескольких БИС, реализующих все необходимые функции связи основных компонентов – процессора, памяти, и шин расширения.

Чипсет – это набор микросхем, установленных на материнской плате для обеспечения обмена данными между МП, ОП и различными устройствами, подключенными к шинам (ISA, PCI, USB). Именно чипсет определяет функциональные возможности материнской платы: тип устанавливаемых процессоров, тип и объем оперативной и кэш-памяти второго уровня, тактовую частоту системной шины, поддерживаемые шины и др.

Системная или материнская плата ПК является основой системного блока, определяющей архитектуру и производительность ПК. Архитектура системной платы в соответствии с рисунком

Архитектура системной платы

Центральную роль в архитектуре играет, конечно же, МП. К его локальной шине (Host Bus) адреса и данных подключаются модули (МС) вторичного КЭШа. Основная память имеет собственную мультиплексированную шину адреса и шину данных, обычно изолированную от локальной шины МП. Системный контроллер и коммутатор данных – чипсет. Шина PCI является центральной и все интерфейсные адаптеры, а также системные средства ввода/вывода общаются с ядром системы (МП и память) через шину PCI. Кроме плат расширения, устанавливаемых в слоты шины PCI, её абонентом является и мост PIIX (PCI IDE ISA Xcelerator) представляет многофункциональное устройство, на которое возлагаются следующие функции:

Организация моста между шинами PCI и ISA;

Коммутация КПДП;

Поддержка режимов энергосбережения;

Реализация моста с внутренней шиной X-Bus, используемой для подключения МС контроллера клавиатуры, BIOS, CMOS RTS, контроллеров гибких диков и интерфейсных портов;

Реализации котроллера USB.