Принципы организации и классификация интерфейсов

Базовыми составными элементами интерфейса являются магистраль и протокол.

Магистраль интерфейса образуется электрическими цепями – линиями интерфейса, которые предназначены для организации связей между функциональными модулями системы. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной, а вся совокупность линий – магистралью.

Протоколом называется строго заданная формализованная совокупность правил или соглашений, определяющая последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются функциональные модули в процессе связи по магистрали интерфейса. Понятия «интерфейс», «магистраль», «протокол» близки по смыслу, поэтому на практике часто одну и ту же совокупность средств и функций взаимодействия в разных документах называют по разному: «интерфейс», «магистраль» или «протокол».

В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали – информационную и управления.

По информационной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний (статусов) устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса. К наиболее распространенным командам относятся «Чтение», «Запись», «Конец передачи», «Запуск», «Сброс». Коды состояния описывают состояния сопрягаемых устройств или формируются в ответ на действия команд. Широко используются такие коды состояний, как «Занятость устройства», «Наличие ошибки», «Готовность устройства».

Магистраль управления делится на ряд шин: управления обменом, передачи управления, прерывания и специальных управляющих сигналов.

Шина управления обменом состоит из линий синхронизации передачи информации. В зависимости от принятого принципа обмена (асинхронного или синхронного) число линий может изменяться от одной до трех. Асинхронная передача происходит при условии подтверждения принимающим информацию устройством готовности к приему и завершается подтверждением приема данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема задается синхронизирующей последовательностью сигналов – системной частотой шины.

Шина передачи управления выполняет используется для реализации операций приоритетного занятия (захвата) магистрали – арбитража ресурсов шины. Наличие этой шины определяется тем, что взаимодействие в большинстве интерфейсов выполняется по принципу «ведущий – ведомый», при котором ведущее устройство может брать управление шиной на себя в определенные моменты времени. При наличии в МС нескольких устройств, способных выполнять функции ведущих, возникает задача приоритетного распределения ресурсов шины – арбитража. Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом. Различают централизованную и децентрализованную структуры.

Шина прерываний предназначена для идентификации устройств, запрашивающих сеанс обмена информацией с центральным процессором. Каждому запросу по линиям этой шины соответствует своя программа обслуживания прерывания.

Шина специальных управляющих сигналов включает линии, предназначенные для контроля и диагностики состояния устройств МС и управления режимом ее работы. Это линии приведения системы в исходное состояние, контроля источников электропитания, синхронизации и т.п.

Интерфейсы классифицируют по признакам, определяемым ГОСТ 26.016-81: по способу соединения элементов системы, по способу передачи информации, по принципу обмена информацией, по режиму передачи информации, по конструктивному исполнению, по функциональному назначению.

По способу соединения функциональных элементов системы (топологии связей) интерфейсы разделяются, как показано на рис.7.2., на магистральные (общая шина), радиальные («звезда»), кольцевые, цепочечные и комбинированные. Магистральные интерфейсы (общая шина) имеют невысокую стоимость и являются наиболее распространенными. В радиальных структурных схемах для соединения устройств используются концентраторы или коммутаторы. Радиальные интерфейсы («звезда») более быстродействующие и надежные, но их стоимость по сравнению с интерфейсом «общая шина» выше.

По способу передачи информации интерфейсы классифицируются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

В параллельных интерфейсах для передачи информационных сигналов (кодов адресов, данных, команд) и управляющих сигналов используются отдельные линии (шины), т.е. в каждый такт шины сигналы передаются параллельными кодами одновременно во времени. Такой способ передачи позволяет получить максимальную скорость обмена, но большое число линий значительно усложняет магистраль. Этот вид магистрали называется магистралью с раздельными шинами. Для сокращения числа линий магистрали в некоторых МС шины адреса и данных совмещают, т.е. для передачи кодов адресов и данных используют они и те же линии. Коды адресов и данных передаются последовательно во времени и стробируются специальными сигналами (например, ALE и DEN для МП i8086). Этот вид магистрали называется магистралью с мультиплексированными шинами.

В последовательных интерфейсах для передачи используются лишь одна линия (например, коаксиальный или телефонный кабель, витая пара), поэтому для обмена применяются последовательные коды, в которых биты в байтах передаются один за другим последовательно во времени. Последовательные коды группируются в пакеты различного назначения - информационные, управляющие, служебные, которыми и осуществляется обмен. Скорость обмена в последовательных интерфейсах существенно ниже, чем в параллельных, но последовательная магистраль значительно проще и дешевле. Поэтому последовательные интерфейсы обычно используются как связные для соединения удаленных устройств МС и для построения телекоммуникационных и компьютерных сетей. Для увеличения скорости обмена число линий последовательного интерфейса увеличивают. Дополнительные линии используются для организации дуплексного режима обмена и передачи управляющих и синхронизирующих сигналов.

По принципу обмена интерфейсы разделяются на синхронные и асинхронные. В синхронном интерфейсе все операции взаимодействия устройств выполняются по жесткой временной диаграмме, задаваемой сигналами генератора тактовых импульсов на специальной линии магистрали. В асинхронном интерфейсе передача данных осуществляется после получения сигнала приемника, подтверждающего готовность к приему, и завершается подтверждением приема данных. Таким образом в асинхронном интерфейсе реализуется обратная связь от ведомого устройства к ведущему, для чего выделены одна или несколько специальных линий магистрали.

По режиму передачи информации интерфейсы классифицируются на симплексные, дуплексные и полудуплексные.

По конструктивному исполнению разделяются на четыре категории: межблочные, обеспечивающие взаимодействие компонентов на уровне автономного устройства, блока, стойки, шкафа; внутриблочные, обеспечивающие взаимодействие на уровне субблоков, модулей, плат; внутриплатные, обеспечивающие взаимодействие между интегральными схемами (БИС, СБИС) на печатной плате; внутри корпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов внутри СБИС.

По функциональному назначению можно выделить следующие основные классы интерфейсов:

· интерфейсы компьютерных и телекоммуникационных сетей;

· интерфейсы мультипроцессорных и многомашинных систем;

· интерфейсы компьютеров;

· интерфейсы контроллеров и систем сбора информации;

· интерфейсы датчиков и исполнительных устройств.

Эти классы интерфейсов образуют иерархическую структурную схему, уровни которой соответствуют уровням обработки информации в типовой информационно-управляющей системе. Нижнему уровню иерархии соответствуют интерфейсы датчиков и исполнительных устройств, а верхнему - интерфейсы компьютерных и телекоммуникационных сетей.

Центральным уровень этой схемы представлен интерфейсами компьютеров, которые предназначены для организации связей между составными компонентами компьютера – процессором, памятью, видеосистемой и периферийными устройствами. Интерфейсы компьютеров образуют обширный класс, включающий системные шины процессора, системные шины расширения (например, параллельные шины ISA, PCI, PCI, последовательно-параллельная шина PCI-E), локальные шины для подключения дисковой памяти и видеосистемы, внешние параллельные и последовательные интерфейсы для подключения периферийных устройств (например, параллельный LPT-порт для принтера, последовательные COM-порты для модема и манипулятора мышь, последовательная шина USB). Этот класс интерфейсов далее будет рассмотрен подробнее.

Интерфейсы мультипроцессорных и многомашинных систем предназначены для создания высокопроизводительных и отказоустойчивых вычислительных систем на основе нескольких параллельно работающих процессоров или компьютеров. Этот класс интерфейсов представлен параллельными быстродействующими шинами, имеющими линии арбитража для управления доступом к шине со стороны ведущих модулей. Такие шины не поддерживают пространственную распределенность, т.е. мультипроцессорные и многомашинные системы являются сосредоточенными. Примерами таких интерфейсов могут служить шины MULTIBUS I, MULTIBUS II и более современная шина VME, а также ее модификация VXI, применяемые в сложных высоконадежных системах управления реального времени.

Интерфейсы компьютерных и телекоммуникационных сетей предназначены для создания распределенных вычислительных систем, компоненты которых (отдельные МС) пространственно разнесены на значительные расстояния. Этот класс включает интерфейсы локальных, корпоративных и глобальных вычислительных сетей, в которых используются магистрали с последовательной формой передачи информации – витые пары, оптоволоконные, телефонные или радиоканалы. Наиболее распространенными стандартными локальными сетями являются сети Ethernet (стандарт IEEE 802.3), Token-Ring (стандарт IEEE 802.5), FDDI. Стандартные сетевые протоколы базируются на модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), разработанной в начале 80-х годов международными организациями по стандартизации ISO и ITU /17/. Модель OSI определяет семь уровней взаимодействия систем, дает им стандартные имена и определяет их функции.

Таким образом интерфейсы двух последних рассмотренных классов позволяют интегрировать в единую систему процессоры и компьютеры, что дает возможность создавать сосредоточенные и распределенные вычислительные системы.

Интерфейсы двух нижних относительно интерфейсов компьютеров уровней иерархии предназначены для создания систем сбора информации и локального управления. Опрос датчиков и измерительных приборов, предварительная обработка информации (масштабирование, фильтрация, линеаризация), регулирование (стабилизация, слежение), логическое управление (пуск, останов, блокировка) производятся контроллерами, которые как правило подключаются к магистрали с последовательной формой передачи информации на базе экранированной витой пары - промышленной сети. На физическом уровне этой сети обычно используется интерфейс RS-485, а взаимодействие на верхних уровнях определяется типом применяемой промышленной сети – Profibus, CAN, Interbus, Modbus, Fieldbus Foundation (полевая шина) и др.

Датчики и исполнительные устройства подключаются к контроллерам посредством радиального или магистрального интерфейсов: при малом числе устройств используется радиальный интерфейс, а при большом – магистральный с последовательной формой передачи информации.

Конечно, наличие интерфейсов всех уровней в МС не обязательно. В более простых системах подключение датчиков и исполнительных устройств может производиться непосредственно к системной шине расширения компьютера (например, шине ISA) с помощью плат ввода-вывода. Для сосредоточенных объектов, например, не требуется объединения компьютеров в сеть.

Кроме рассмотренных существует особый класс программных интерфейсов, предназначенных для организации взаимодействия программных модулей в сложных программных системах. Простейшим примером из этой области может служить использование прикладными программами служебных функций BIOS и функций операционных систем (ОС), вызываемых с помощью прерываний. Интерфейс для доступа к сервису BIOS и ОС четко описан: указывается служебная функция, затем ее параметры и далее номер прерывания.

Программные интерфейсы широко применяются при разработке программного обеспечения из компонент - предварительно созданных программных объектов. Эта технология, базирующаяся на модели компонентного объекта (СОМ), СОМ – интерфейсах и наборе системных библиотек OLE, позволяет сократить сроки разработки, уменьшить стоимость и повысить качество создаваемых программных систем.

Для организации взаимодействия человека (диспетчера, оператора и т.п.) и МС предназначены человеко-машинные интерфейсы (HMI), позволяющие отображать на мнемосхеме ход технологического процесса и состояние объекта управления, сигнализировать о недопустимых отклонениях параметров, вводить команды оператора. Особенностью человеко-машинных интерфейсов является обеспечение отображения и ввода информации в виде максимально удобном и естественном для человека, учитывающим его психологические и физиологические параметры.