Интерфейсы микропроцессорных систем
8.3.1. Общая характеристика интерфейсов
Современные МПС имеют магистрально-модульную организацию, основанную на принципах агрегирования и унификации. Модульность (агрегирование) – это разделение МПС на простые функционально и конструктивно законченные блоки, называемые модулями, например: модуль микропроцессора, модуль памяти и т.д.
Унификация состоит в оптимизации состава модулей, связей между ними и в их конструктивных оформлениях.
Связь устройств МПС одного с другим осуществляют с помощью сопряжений, называемых интерфейсами.
Интерфейс – это совокупность информационно логических, электрических и конструктивных средств и требований (правил), которые обеспечивают оптимальный алгоритм взаимодействия всех модулей МПС.
Информационно-логические требования определяют структуру и состав линий и сигналов, способы кодирования и форматы данных, адресов и команд, протоколов обмена для разных режимов и фаз работы. Они непосредственно влияют на пропускную способность, надежность обмена и аппаратурные расходы.
Электрические требования задают необходимые статические и динамические параметры сигналов на сигнальных линиях интерфейса: уровни напряжений, длиельность фронтов, нагрузочная способность, помехоустойчивость и др.
Конструктивные требования указывают на тип соединительных элементов и распределение линий по их контактам, геометрические размеры плат, каркаса и другие признаки.
Сигнальная линия – это проводник (электрическая цепь), который физически соединяет источник и приемник информации. Совокупность сигнальных линий, по которым передают сигналы одинакового функционального назначения, называют шиной.Различают шины данных, адреса и управления.
Интерфейс должен обеспечивать:
– построение машин с переменным составом оборудования (переменной конфигурацией, открытостью архитектуры);
– параллельное во времени выполнение программ и процедур ввода-вывода;
– увеличение скорости обмена информацией;
– упрощение и стандартизацию программирования операций ввода-вывода и их независимость от особенностей периферийных устройств,
– автоматическое распознавание и реакцию ЦП на разнообразные ситуации в ПУ (готовность устройства, отсутствие носителя данных, нарушение нормальной работы).
Особенно актуальным является решение этих задач для машин большой производительности, которые содержат сотни различных внешних устройств.
Периферийные устройства соединяются с интерфейсом МПС при помощи контроллеров периферийных устройств (КПУ), которые обеспечивают выполнение каждым ПУ своих специфических функций.
Термин “интерфейс” применяют как к аппаратуре МПС, так и к ее программному обеспечению.
8.3.2. Классификация интерфейсов
Интерфейсы классифицируют по следующим основным признакам.
По функциональному назначению интерфейсы подразделяются на такие типы:
– внутренние – внутриплатные, межплатные и системные;
– внешние – для периферийных устройств, для локальных сетей, для распределенных систем управления (рисунок 8.3.2.1.).
Рисунок 8.3.2.1. Классификаций интерфейсов по функциональному назначению
По направлению обмена информацией различают следующие интерфейсы:
· симплексные – обмен в одном направлении (рисунок 8.3.2.2, а);
· полудуплексные – поочередный обмен в двух направлениях (рисунок 8.3.2.2, б);
· дуплексные – одновременный обмен в двух направлениях (рисунок 8.3.2.2, в);
· мультиплексные – обмен реализуется с помощью общей магистрали (шины), в которой в каждый момент времени взаимодействуют источник и приемник информации (рисунок 8.3.2.2,, г).
Рисунок 8.3.2.2. Направления обмена информацией: а – симплексное; б – полудуплексное; в – дуплексное; г – мультиплексное
Все устройства (модули), подключаемые к каналу передачи данных, называются абонентами (АБ).
По структуре связей между абонентами МПС различают интерфейсы с радиальным, кольцевым, каскадным и магистральным подключениями (рисунок 8.3.2.3).
В радиальных интерфейсах (рисунок 8.3.2.3, а) к ЦП с помощью двунаправленных шин и заданного приоритета подключаются абоненты (рабочие станции, удаленные периферийные устройства, схемы промышленной автоматики). Сообщения между абонентами передаются через ЦП, который выполняет функции концентратора и обеспечивает независимость и параллельность работы абонентов. Радиальный интерфейс – логически простой, однако требует больших аппаратных затрат. Кроме этого, его живучесть зависит от надежности ЦП.
Рисунок 8.3.2.3. Структура соединений абонентов: а – радиальная; б – кольцевая; в – каскадная; г – магистральная
В кольцевом интерфейсе (рисунок 8.3.2.3, б) каждый абонент связан с двумя соседними. В кольце могут одновременно циркулировать несколько сообщений от источников к приемникам на основе заданных способов адресации и управления. При расширении МПС дополнительные модули включаются в кольцо системы. Недостатком кольцевых интерфейсов является сложность взаимодействия абонентов.
В каскадных интерфейсах (рисунок 8.3.2.3, в) абоненты соединены по цепочке и обслуживаются в порядке их подключения к линиям интерфейса. Каскадные интерфейсы характеризуются малым числом линий и ограничением по скорости.
В магистральных интерфейсах (рисунок 8.3.2.3, г) используется коллективная шина, которую также называют магистралью. Информация, передаваемая по магистрали, доступна всем абонентам, которые к ней подключены. Обычно в каждый момент времени только один абонент может быть источником информации. Приоритет абонентов определяется арбитром шины (АШ). Магистральный интерфейс является гибким, экономичным и используется в большинстве системных интерфейсов МПС.
По способу передачи информации во времени различают следующие интерфейсы:
· синхронные – с фиксированной длительностью операций обмена;
· асинхронные – с переменной длительностью операций обмена;
· синхронно-асинхронные – с комбинированным соединением двух способов.
По разрядности передаваемых данных различают интерфейсы с параллельным (словами), последовательным (битами) и параллельно-последовательным обменами.
К классификационным признакам интерфейсов МПС также относят:
· организацию прерываний (векторный или последовательный опрос) и прямого доступа к памяти;
· способ арбитража доступа модулей к шинам (параллельный, последовательный, циклический);
· число линий адресации данных, управления, синхронизации;
· длину и тип линий связи (проводники, радиоканал, волоконно-оптический тип);
· максимальное число абонентов, которые могут одновременно подключаться к шине;
· способ адресации устройств периферии – с собственным адресным пространством (характерно для изделий фирмы Intel) или с отображением на адресное пространство памяти (используется в изделиях фирмы DEC).
8.3.3. Системные интерфейсы
В МПС широко используются параллельные системные стандартные интерфейсы, в которых унифицируются: форматы команд и данных и процедуры обмена; алгоритм функционирования; состав и типы линий связи; быстродействие передачи; конструктивные требования; допустимые расстояния между модулями системы; возможность расширения и совместимость с предыдущими интерфейсами.
Для обеспечения высоких скоростей обмена информацией используют асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации. К ним относятся: восьмиразрядные – Microbus; 16-разрядные – Unibus; Q-bus; Multibus I; 32-разрядные – Vercabus. Основные технические характеристики этих интерфейсов представлены в таблице 8.3.3.1.
Таблица 8.3.3.1.
Интерфейс Multibus I (стандарт российский – И41, зарубежный – IEEE-796) предназначен для построения микро-ЭВМ, ПЭВМ и сосредоточенных многопроцессорных МПС. Он обеспечивает:
· четыре операции обмена – запись в память или порт, чтение памяти или порта;
· прямой доступ к памяти и обработки прерываний программы;
· использование двух независимых адресных пространств для адресации ячеек памяти и внешних устройств (их портов);
· функционирование на основе принципа – ведущий (задатчик) и ведомый (исполнитель).
Сигналы на линиях интерфейса активны при низких уровнях напряжений, назначения линий и сигналов на них совпадают.
Магистраль содержит следующие основные функциональные группы линий и сигналов на них (цифры даны в шестнадцатеричной системе счисления):
· передачи адреса: 
- 
с возможностью расширения до 
- 
на дополнительном разъединителе. Сигнал 
позволяет считывание старшего байта данных, а сигнал 
разрешает запись адреса во внешний регистр-фиксатор;
· передачи данных: 
- 
обеспечивает двунаправленную передачу слов или байтов данных. Информация на ШД может выдаваться только задатчиком. Линии 
и 
предназначены для передачи сигналов четности младшего и старшего байтов данных. На линии 
, 
подают сигналы запрета обращения к ОЗУ или ПЗУ соответственно;
· управление передачей данных: 
, 
– запись в память или порт; 
, 
– чтение памяти или порта, 
– подтверждение передачи;
· синхронизации и арбитража приоритетов: 
, 
– синхронизация шины и системных модулей; 
– шина занята; 
, 
– запрос и совместный запрос шины; 
, 
– вход и выход разрешения приоритета;
· управления состояниями системы; 
– начальная установка; 
– останов; 
- дополнительный сброс; 
– ожидание;
· управление электропитанием и его контроль: 
– снижение напряжения в сети или ее неисправность; 
– прерывание при неисправности электропитания; 
– защита памяти.
Электропитание: плюс 5 В – девять линий питания; плюс 12 В–три линии дополнительного питания; плюс 12В, минус 12В–по две линии дополнительного питания; GND – 23 линии заземления.
К интерфейсам Multibus I относят системную магистраль персонального компьютера IBM PC/AT-bus.
Интерфейс Multibus II используют в многопроцессорных 16- и 32-разрядных МПС. Он содержит три основные и три дополнительные магистрали.
Основная магистраль системы – параллельная система iPSB (Parallel System Bus), предназначенная для организации обмена данными с производительностью до 40 Мбайт/с. Магистраль имеет пять групп линий, возможен обмен восьми-, 16-, 24- и 32-разрядными данными. Адреса передаются по 32-разрядной мультиплексной ШАД.
Магистраль iLBX обеспечивает быстродействующий локальный обмен данными с памятью. Асинхронная немультиплексная шина iLBX предназначена для расширения ШВВ. Асинхронная мультиплексная магистраль MDMA обеспечивает прямой доступ к отдаленной памяти.
Магистраль iSSB предназначена для создания последовательной системной шины. Локальная шина связи с модулями промышленной телеуправляемой системы использует магистраль BitBus.
В наше время большинство стандартных системных интерфейсов МПС оптимизированы для конкретных типов микропроцессоров.
8.3.4. Интерфейсные микросхемы
В МПС широко используют интерфейсные микросхемы, реализующие типовые функции, а именно: генерацию тактовых импульсов, запоминание адресов, обеспечение двунаправленного обмена данными между модулями системы, выработку сигналов управления записью-считыванием памяти или в портах, арбитража, приоритетного доступа к системной шине многих микропроцессоров и т.д.
В составе МПК КР580 и К1810 имеется большой набор интерфейсных микросхем (аналогов изделий фирмы Intel). Рассмотрим некоторые из них.