Ульяновский государственный университет
Опубликован: 18.05.2006 | Доступ: свободный | Студентов: 3768 / 1013 | Оценка: 4.05 / 4.02 | Длительность: 15:15:00
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 14:

Интерфейсы вычислительных систем

Аннотация: В данной лекции вводится понятие интерфейса, рассматриваются основные интерфейсные функции и технические характеристики интерфейсов ввода/вывода, приводятся системные интерфейсы микроЭВМ и их особенности. Цель: познакомить учащихся с шинами расширения, используемыми в архитектуре ПК в настоящее время, с их характеристиками и особенностями, научить определять возможности системных интерфейсов и оценивать их пропускную способность.
Ключевые слова: интерфейс, программное обеспечение, шина, магистраль, среда передачи, обмен данными, точка-точка, канал связи, значение, техническая характеристика, длина линий связи, ПО, шиной, архитектура, DEC, PDP-11, двунаправленные линии, запрос, процессор, nubus, digital, Texas Instrument, electronic engineering, IEEE, мультиплексирование, конфигурация, арбитраж, ПДП, опрос, IBM, PC, бит, EISA, MCA, VLB, IA-32, ISA, industry standard, architecture, DMA, тактовый сигнал, скорость передачи, задержка буферизации, быстродействие, разъем, адрес, контроллер, micro channel architecture, PS/2, power, blue, пользователь, burst mode, PCI, electronic standard, local bus, стоимость, тактовая частота, поддержка, plug, play, доминирующее положение, peripheral, component, interconnect, mezzanine bus, alpha, MIPS, SPARC, акселератор, IDE, мост, ключ, цикла, пакетный режим, байт, bus master, контроль четности, компьютер, bridge, AGP, passivation, PCI Express, мультимедиа, вывод, производительность, graphics port, порт, память, потоки данных, FSB, BUS, доступ, режим адресации, banding, addressing, конвейеризация, direct memory access, общее адресное пространство, remap, операционная система, драйвер, звезда, switch, LANE, слот, data stripping, алгоритм, разбиение, 8B/10B, латентность, ST-506, technology, ESDI, enhanced, device, interface, direction, step, head, RLL, MFM, frequency modulation, Command, Data, EIDE, ATA, attachment, drive, electronics, ATAPI, packet, DVD-ROM, Стример, LBA, передача данных, SCSI, USB

Типы и характеристики интерфейсов

Интерфейс - это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). Под сопряжением подразумеваются следующие функции:

  • выдача и прием информации;
  • управление передачей данных;
  • согласование источника и приемника информации.

В связи с понятием интерфейса рассматривают также понятие шина (магистраль) - это среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными. Очевидно, для аппаратных составляющих большинства интерфейсов применим термин шина, поэтому зачастую эти два обозначения выступают как синонимы, хотя интерфейс - понятие более широкое.

Для интерфейсов, обеспечивающих соединение "точка-точка" (в отличие от шинных интерфейсов ), возможны следующие реализации режимов обмена: дуплексный, полудуплексный и симплексный. К дуплексным относят интерфейсы, обеспечивающие возможность одновременной передачи данных между двумя устройствами в обоих направлениях. В случае, когда канал связи между устройствами поддерживает двунаправленный обмен, но в каждый момент времени передача информации может производиться только в одном направлении, режим обмена называется полудуплексным. Важной характеристикой полудуплексного соединения является время реверсирования режима - то время, за которое производится переход от передачи сообщения к приему и наоборот. Если же интерфейс реализует передачу данных только в одном направлении и движение потока данных в противоположном направлении невозможно, такой интерфейс называют симплексным.

Важное значение имеют также следующие технические характеристики интерфейсов:

  • вместимость (максимально возможное количество абонентов, одновременно подключаемых к контроллеру интерфейса без расширителей);
  • пропускная способность или скорость передачи (длительность выполнения операций установления и разъединения связи и степень совмещения процессов передачи данных);
  • максимальная длина линии связи;
  • разрядность;
  • топология соединения.

Архитектура системных интерфейсов

По функциональному назначению можно выделить системные интерфейсы ( интерфейсы, связывающие отдельные части компьютера как микропроцессорной системы) и интерфейсы периферийных устройств.

Микро-ЭВМ с точки зрения архитектуры можно разделить на 2 основных класса:

  • использующие внутренний интерфейс МП (унифицированный канал);
  • использующие внешний по отношению к МП системный интерфейс.

Системный интерфейс выполняется обычно в виде стандартизированных системных шин. Однако в последнее время наметились тенденции внедрения концепций сетевого взаимодействия в архитектуру системных интерфейсов.

Различают два класса системных интерфейсов: с общей шиной (сигналы адреса и данных мультиплексируются) и с изолированной шиной (раздельные сигналы данных и адреса). Прародителями современных системных шин являются:

  • Unibus фирмы DEC ( интерфейс с общей шиной ),
  • Multibus фирмы Intel ( интерфейс с изолированной шиной ).

Шинная архитектура Unibus была разработана фирмой DEC для мини-ЭВМ серии PDP-11. Общая шина для периферийных устройств, памяти и процессора состоит из 56 двунаправленных линий. Unibus поддерживает пересылку одного 16-разрядного слова за 750 нс. Все пересылки инициируются ведущим устройством и подтверждаются принимающим (запоминающим) устройством, что позволяет работать с модулями различного быстродействия. Выбор устройства на роль ведущего является динамической процедурой, поэтому в ответ на запрос периферийного устройства процессор может передать ему управление шиной. Благодаря этой особенности, на основе Unibus возможна разработка мультипроцессорных систем. Unibus позволяет подключать к магистрали большое число устройств, хотя необходимо учитывать снижение надежности по мере увеличения длины магистрали. Данные регистров внешних устройств могут обрабатываться теми же командами, что и данные в памяти. Следует, однако, отметить сложность технической реализации интерфейсных модулей, связанных с пересылкой адресов и данных по одним и тем же линиям.

Свое развитие архитектура Unibus получила в системном интерфейсе NuBus. Интерфейс NuBus (табл. 14.1) был разработан MIT1MIT (Massachusetts Institute of Technology) - Массачусетский технологический институт. совместно с Western Digital в 1979 г. Затем, при участии Texas Instruments, архитектура NuBus была стандартизована IEEE2IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Институт инженеров по электронике и электротехнике. (стандарт IEEE 1196-1987) и применялась фирмой Apple в компьютерах Macintosh. В NuBus также используется мультиплексирование адреса и данных. Предусмотрена автоматическая конфигурация. Возможно использование нескольких задатчиков магистрали с децентрализованным арбитражем. Имеется режим блочной передачи данных. К недостаткам NuBus можно отнести слабые возможности режима ПДП, сложный метод обработки прерываний (предусмотрен всего один сигнал запроса прерывания и программный опрос потенциальных источников прерываний).

Альтернативная шинная архитектура Multibus была разработана фирмой Intel. Шина также обеспечивает системную архитектуру с одним или несколькими ведущими узлами и с квитированием установления связи между устройствами, работающими с разной скоростью. Благодаря разделению шины адреса и шины данных, возможны реализации этой архитектуры для процессоров разной разрядности. Существовали 8-разрядный и 16-разрядный варианты архитектуры Multibus для IBM PC. Шина адреса - 20 бит. Multibus подразумевает достаточно простую аппаратную реализацию, однако число устройств, одновременно использующих ресурсы шины, ограничено 16 абонентами. Следует отметить, что скорость обмена на шине Multibus была ниже, чем на шине Unibus.

Таблица 14.1. Системные интерфейсы
Шина NuBus ISA EISA MCA VLB PCI
Год выпуска 1979 1984 1989 1987 1987 1992
Разрядность данных 32 8/16 32 32/64 32 32/64
Разрядность адреса 32 20/24 32 32 32 32
Тактовая частота, МГц 10 4/8 8 10 <33 (Fцп) 33, 66
Макс. скорость, Мбайт/с 37 8-16 33 20/40 130 132/264, 520
Макс. кол-во устройств 6 15 16 2-3 10
Кол-во сигналов 96 62/98 188 178 112 124/188
Виктория Монахова
Виктория Монахова
Евгений Коваленко
Евгений Коваленко