Шивринский В.Н. (под редак.) Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных комплексов

Подождите немного. Документ загружается.

Наконец, при операциях прямого доступа задатчиком является ВУ (кон-

кретнее, контроллер прямого доступа), а исполнителем – ОП.

Другим важным принципом, заложенным в структуру магистрального ин-

терфейса, является принцип запроса-ответа (квитирования): каждый управ-

ляющий сигнал, посланный задатчиком, подтверждается ответным сигналом

исполнителя.

При отсутствии ответного сигнала исполнителя в течение заданного интер-

вала времени (обычно 10-20 мкс, так называемый тайм-аут) задатчик фиксирует

ошибку обмена (исполнитель отсутствует, неисправен, выключен) и прекраща-

ет данную операцию. Практически квитирование обычно реализуется так, как

показано на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Реализация квитирования

Сигнал, установленный задатчиком на какой-либо линии магистрали, рас-

пространяется по ней и через некоторое время доходит до исполнителя. По-

следний, получив сигнал задатчика, устанавливает на какой-то другой линии

магистрали ответный сигнал, который также начинает распространяться по ма-

гистрали. Через некоторое время он доходит до задатчика, который, получив

этот сигнал, и, удостоверившись тем самым в том, что исполнитель присутст-

вует и нормально функционирует, снимает свой сигнал. Исполнитель, зафикси-

ровав прекращение действия сигнала задатчика, снимает свой сигнал, и процесс

обмена сигналами заканчивается. Такой принцип обмена сигналами позволяет

выполнять операции на магистрали с максимально возможной для каждой пары

«задатчик-исполнитель» скоростью при высокой надежности обмена.

Третья важная особенность архитектуры рассматриваемых ЭВМ заключа-

ется в идентичности подключения к системному интерфейсу всех устройств

ЭВМ, включая ОП и ЦП.

В составе магистрали отсутствуют специальные линии или сигналы управ-

ления ВУ. Основным средством обмена информацией с ВУ являются упомяну-

тые выше операции чтения и записи.

Идентичность подключения к магистрали ОП и ВУ определяет возмож-

ность использования в процессе управления ВУ весь набор команд процессора:

пересылки, анализа содержимого, логических и арифметических операций.

Схемы связи магистрали ЭВМ с ВУ (интерфейсы ВУ) имеют в своем соста-

ве регистры, через которые и происходит передача информации. Каждому та-

кому регистру (а число их в зависимости от сложности интерфейса может коле-

баться от 2 до 15-20) присваивается определенный адрес, точно так же, как и

ячейкам ОП. При этом адреса регистров ВУ и ячеек ОП не перекрываются.

Системная магистраль «I/O Channel» IBM PC/AT

Магистраль AT-bus поддерживает порты ввода-вывода (ПВВ) в диапазоне

адресов от 100 до 3FF (шестнадцатеричных), 24-разрядное пространство памя-

ти, 8- и 16-разрядные передачи данных, прерывание, каналы ПДП, генерацию

тактов ожидания ВВ, регенерацию системной памяти от ЦП.

Магистраль объединяет восемь 62-контактных и шесть 36-контактных

двухрядных соединителей. Ряды 62-контактного соединителя имеют обозначе-

ния A и B, а 36-контактного – C и D. Обозначение, функциональное назначение

и распределение сигналов по контактам показано в таблице 8.1.

Во время обращения к памяти или ПВВ шина адреса SA0-SA19 возбужда-

ется в течение действия строба адреса BALE и должна быть зафиксирована в

адресном регистре адресуемого модуля. Старшие разряды адреса LA17-LA23

удерживаются в цикле шины и не требуют запоминания в регистре.

Сигнал SBHE возбуждается при передаче данных в старшем байте шины

SD8-SD15. Сигналы SMEMR, MEMR, IOR, SMEMW, MEMW, IOW возбужда-

ются МП или каналом ПДП и идентифицируют соответствующую операцию

памяти или ПВВ.

Сигналы MEMR и MEMW возбуждаются при обращении ко всей памяти, а

сигналы SMEMR и SMEMW – при обращении к младшей области памяти емко-

стью 1 Мбайт.

Линии MEM CS16 и I/O CS16 сигнализируют системной плате о том, что

выбранный модуль памяти или ПВВ осуществляет цикл передачи 16-разрядных

данных с одним тактом ожидания. Эти сигналы должны вырабатываться де-

шифратором старших разрядов адресов LA17-LA23.

Линия OWS используется для сообщения МП, что текущий цикл передачи

выполняется без тактов ожидания. Сигнал должен вырабатываться дешифрато-

ром адреса выбранного устройства.

При возникновении во время передачи на магистрали ошибки четности

возбуждается линия I/O CHCK.

Для работы с низкоскоростными устройствами используется сигнал готов-

ности I/O CHRDY, блокируя который устройство переводит МП в такты ожи-

дания до тех пор, пока оно не будет готово передать информацию. Задержка

выработки этого сигнала не должна превышать 2,5 мкс.

Линии IRQ3-IRQ15 используются для передачи запросов прерывания от

портов ВВ к МП. При этом в группе высокого приоритета высший приоритет

имеет IRQ9, а в группе низкого приоритета – IRQ3. Линия прерывания IRQ13

используется системной платой и не выводится на магистраль. Прерывание

IRQ8 используется для генератора реального времени.

Запросы на обслуживание DRQ0-DRQ7 и сигналы линии подтверждения

DACK0-DACK7 используются ПУ или МП ввода-вывода для получения ПДП

или управления системой. Запрос DRQ0 имеет высший приоритет. Запрос

DRQ4 используется системной платой и не выводится на магистраль.

Линия T/C используется для сообщения о выполнении последнего цикла

при передаче массива данных по ПДП.

Таблица 8.1

Линии сигналов системной магистрали IBM PC/AT-bus

Номер контакта Обозначение Назначение

Передача данных

A9-A2

C11-C18

A31-A12

C8-C2

B28

B12

B11

C10

B14

B13

A10

SD0-SD7

SD8-SD15

SA0- SA19

LA17-LA23

BALE

SBHE

SMEMR

SMEMW

MEMR

MEMW

OWS

IOR

IOW

MEM CS16

I/O CS16

I/O CHCK

I/O CHRDY

Младший байт шины данных

Старший байт шины данных

Шина адреса

Старшие разряды шины адреса

Строб адреса

Признак старшего байта

Чтение из области младших адресов памяти

Запись в область младших адресов памяти

Чтение из памяти

Запись в память

Признак отсутствия тактов ожидания

Чтение из ПВВ

Запись в ПВВ

Признак передачи 16-разрядных данных

из памяти с одним тактом ожидания

Признак передачи 16-разрядных данных

из порта ВВ с одним тактом ожидания

Признак ошибки четности

Готовность устройства

Прерывание и управление ПДП

B25-B21

D3-D7

D9, B18

B6, B16

D11, D13, D15

D8, B17,

B26, B15

D10, D12

D14

D17

A11

B27

IRQ3-IRQ7

IRQ9,

IRQ10-IRQ12,

IRQ15, IRQ14

DRQ0-DRQ3

DRQ5-DRQ7

DACK0-DACK3

DACK5-DACK7

MASTER

AEN

T/C

Запросы прерывания низкого приоритета

Запросы прерывания высокого приоритета

Запросы ПДП высокого приоритета

Запросы ПДП низкого приоритета

Подтверждение захвата высокого

приоритета

Подтверждение захвата низкого

приоритета

Удержание магистрали

Разрешение адреса

Конец передачи

Общее управление

B30

B20

B19

OSC

CLK

RESET DRV

Refresh

Синхронизация

Системный генератор

Системный сброс

Регенерация динамической памяти

Электропитание

B3, B29, D16

B1, B10, B31, D18

+5 V

–5 V

+12 V

–12 V

Ground

Напряжение питания +5 В

Напряжение питания –5 В

Напряжение питания +12 В

Напряжение питания –12 В

Общий

По линиям AEN МП или другое устройство сигнализирует каналу ПДП о

том, что шины адреса, данных и управления магистрали свободны и могут быть

использованы для выполнения циклов передачи ПДП. Линию MASTER приме-

няют для удержания системной магистрали МП ввода-вывода в режиме ПДП.

Длительность этого сигнала не должна превышать 15 мкс, чтобы блокировка

регенерации не привела к разрушению информации в динамической памяти.

Сигналы CLK и OSC – синхроимпульсы скважностью 2 и частотой соответ-

ственно 6 и 14,31818 МГц.

Системный сброс RESET DRV используется для сброса и инициализации

системы после выключения питания.

Сигнал Refresh вырабатывается МП для инициализации цикла регенерации

динамической памяти. Сигналы на магистрали имеют уровни ТТЛ. В качестве

приемников используются маломощные ТТЛШ.

Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем

Современные магистрально-модульные мультипроцессорные системы

(ММС) базируются на интерфейсах, которые по архитектуре и функциональ-

ным возможностям значительно отличаются от системы интерфейсов ЭВМ ти-

па «Общая шина» (первое поколение) и поэтому часто называются интерфей-

сами второго поколения или интерфейсными системами.

Интерфейс в системах рассматривается как способ организации средств пе-

редачи информации между отдельными подсистемами, регламентирующий

дисциплину работы и эффективность функционирования системы в целом. Ин-

терфейсы содержат несколько магистралей, часть которых обеспечивает высо-

кое быстродействие при взаимодействии модулей внутри блоков, а другая часть

– обмен информацией между блоками.

Структура ММС

Общая архитектура ММС на базе интерфейсной системы содержит

(рис. 8.3) несколько сегментов, каждый из которых включает одну или несколь-

ко машин, имеющих в своем составе одноплатную микроЭВМ и платы, расши-

ряющие ее возможности и подсоединяемые посредством локальной магистрали

(ЛМ). Несколько машин, входящих в состав одного сегмента, связываются ме-

жду собой по системной магистрали (СМ), выполненной в виде объединитель-

ной печатной платы. Отдельные сегменты соединяются друг с другом последо-

вательной магистралью (ПМ) или через сегментатор (СГМ).

Основной магистралью ММС, реализующей мультипроцессорную работу и

объединяющей большинство модулей сегмента, является СМ. Самой быстро-

действующей магистралью, используемой обычно для расширения памяти про-

цессоров, является ЛМ. ЛМ имеет уменьшенное адресное пространство, мень-

шую нагрузочную способность по сравнению с СМ и может обслуживать один

или два задатчика.

Работа магистралей основывается на принципе «задатчик-исполнитель».

Несколько задатчиков используют магистрали с разделением времени в соот-

ветствии с заданным алгоритмом арбитража.

Максимальная длина СМ 50 см (число объединяемых модулей до 20), дли-

на ЛМ – 8...12 см (число модулей до 6), длина ПМ (кабельная линия) – до 10 м.

Рис. 8.3. Общая архитектура ММС: Пр – процессор;

ЗУ – запоминающее устройство; ВВ – ввод-вывод

Интерфейсы периферийного оборудования

Использование различных функциональных классов периферийных уст-

ройств, отличающихся физическими принципами работы, быстродействием,

уровнями сигналов, обусловило унификацию интерфейсов ПУ соответствую-

щих функциональных классов.

Интерфейсы ПУ разделяются на две большие категории: 1) радиального и

2) магистрального подключения. В свою очередь, интерфейсы радиального и

магистрального вида могут быть локального и удаленного, последовательного и

параллельного подключения.

Интерфейс ИРПР

Для подключения к ЭВМ стандартного периферийного оборудования (ал-

фавитно-цифровых терминалов, устройств печати, перфоленточных устройств

ввода-вывода и др.) используется радиальный параллельный интерфейс

(ИРПР). В зависимости от типа подключаемого оборудования конкретная реа-

лизация интерфейса может иметь те или иные отличия.

Этот интерфейс можно также использовать и для сопряжения с ЭВМ не-

стандартного измерительного или управляющего оборудования, а также для

связи ЭВМ при организации двух- и многомашинных комплексов.

Функциональные характеристики ИРПР основаны на следующих принци-

пах: метод передачи данных между источником (И) и приемником (П) не зави-

сит от типа устройства; на передаваемые данные ограничения не накладывают-

ся. Передача данных осуществляется между одним источником и одним прием-

ником. Для дуплексного режима обмена требуется два сопряжения. Набор ли-

ний сопряжения приведен в таблице 8.2.

Таблица 8.2

Линии интерфейса ИРПР

Обозначение

Наименование

Русское Междунар.

Направле-

ние

Линии заземления

Экран

Нуль

ОВ

Пассивная

линия

Линии управления

Готовность источника

Готовность приемника

Строб источника

Запрос приемника

ГИ

ГП

СТР

ЗП

от И к П

от П к И

от И к П

от П к И

Линии сигнальные

Данные (2

..2

)

* Контрольный разряд (КР)

младшего байта

* Данные (2

..2

)

* КР старшего байта

* Состояние приемника

* Состояние источника

Д0..Д7

КР0

Д8..Д15

КР1

СП1..СП8

СИ1..СИ8

D0..D7

DP0

D8..D15

DP1

A1..A8

S1..S8

от И к П

от П к И

от И к П

Примечание: * – эти линии необязательны и могут отсутствовать

Линия Э служит для защиты от помех сигналов управления и передаваемых

данных. Линия соединяется с металлическим корпусом устройства, подклю-

ченным к общей земле.

Линия ОВ подсоединяется к точке, принятой в данном устройстве за нуле-

вую и изолированной от металлического корпуса.

Линия ГИ (готовность источника)

Логическая «1» на линии ГИ означает, что источник работоспособен и го-

тов к передаче информации под управлением сигналов СТР и ЗП. Логический

«0» на линии ГИ означает, что источник не работоспособен и состояние других

линий должно игнорироваться приемником. Сигнал ГИ не зависит от состояния

сигнала ГП.

Линия ГП (готовность приемника)

Логическая «1» на линии ГП означает, что приемник работоспособен и го-

тов к приему информации под управлением сигналов СТР и ЗП. Логический

«0» на линии ГП означает, что приемник не работоспособен и состояние других

линий должно игнорироваться источником. Сигнал ГП не зависит от состояния

сигнала ГИ.

Линия СТР (строб источника)

Логическая «1» на линии СТР означает, что на линиях данных комбинация

сигналов действительная при логической «1» на линии ЗП. Логический «0» на

линии СТР означает, что на линиях данных комбинация сигналов может быть

недействительной. Сигнал СТР может перейти из логического «0» в логиче-

скую «1» лишь после того, как сигнал ЗП перешел в логическую «1». Сигнал

СТР может перейти из логической «1» в логический «0» лишь после того, как

сигнал ЗП перешел в логический «0».

Линия ЗП (запрос приемника)

Логическая «1» на линии ЗП означает, что приемник запрашивает новую

информацию от источника. Логический «0» на линии ЗП означает, что прием-

ник не готов к приему нового сигнала, но принял предыдущий символ, если он

был. Приемник не должен принимать данные, если сигнал СТР не перешел в

логическую «1».

Когда приемник принял символ, он может установить сигнал ЗП в логиче-

ский «0» в любой момент времени. Приемник должен держать линию ЗП в ло-

гическом «0» до тех пор, пока не появится логический «0» на линии СТР.

Сигнальные линии

Линии данных используются для передачи до 16 разрядов данных от ис-

точника. Контрольные разряды КР0 и КР1 устанавливаются такими, чтобы

сумма единиц в соответствующем байте данных была нечетной.

Обмен данными

Обмен данными происходит в жестко обусловленном режиме «запрос-

ответ». Источник может изменить значение сигнала СТР только тогда, когда

приемник изменил значение сигнала ЗП. Приемник может изменить значение

сигнала ЗП только тогда, когда источник изменил значение сигнала СТР. Вре-

менная диаграмма обмена в ИРПР приведена на рис. 8.4. Устройство, прини-

мающее сигналы, должно компенсировать разницу в задержке принимаемых

сигналов.

Рис. 8.4. Временная диаграмма обмена в ИРПР: Тк – время задержки

кабеля; Ти – восприятия сигнала источником; Тп – восприятия сигнала

приемником; Т1, Т3 – выполнения операции источником;

Т2, Т4 – выполнения операции приемником

Техническая реализация

Тип, требования к физической реализации, назначение контактов разъема

для выхода на ИРПР не регламентируются. Интерфейсный кабель должен

иметь волновое сопротивление 110 ± 20 Ом.

Уровни сигналов должны соответствовать уровням для микросхем типа

ТТЛ. Используемая логика

–

отрицательная. В качестве передатчиков должны

применяться микросхемы с открытым коллекторным выходом с допустимым

током нагрузки не менее 40 мА. Входной ток приемника не более 1,6 мА.

Передатчик не должен выходить из строя при:

1) коротком замыкании между сигнальной линией и линией ОВ, а также

между двумя сигнальными линиями;

2) работе на кабель, отсоединенный на другом конце, или при отсоединен-

ном кабеле;

3) работе на включенный или выключенный приемник непосредственно

или через кабель.

Приемник должен:

1) воспринимать обрыв или отсутствие кабеля, а также выключенное пита-

ние передатчика как логический «0»;

2) не выходить из строя при соединении с включенным или выключенным

передатчиком при любом его логическом состоянии.

Интерфейс должен быть работоспособным при использовании кабеля дли-

ной до 15 м.

Интерфейс ИРПС

Когда источник или приемник информации удален от ЭВМ на значитель-

ное расстояние, применяется последовательная передача. Прежде чем начать

последовательную передачу, необходимо выполнить преобразование данных из

параллельной формы в последовательную.

Вначале данные загружаются в сдвиговый регистр. Содержимое регистра

сдвигается на один разряд при поступлении каждого тактового импульса. Про-

цесс преобразования данных из параллельной формы в последовательную

представлен на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Передача данных по линии последовательной передачи:

СД – сдвиговый регистр; СР – старший разряд; МР – младший

разряд; ГТИ – генератор тактовых импульсов

При приеме необходимо выполнить действия, обратные по отношению к

описанным выше. Данные вводятся бит за битом в сдвиговый регистр, затем из

него в параллельной форме передаются в ЭВМ.

Устройство, обеспечивающее преобразование данных из параллельной

формы в последовательную и обратное преобразование, называют универсаль-

ным асинхронным приемопередатчиком (УАПП). Приемопередатчик выполня-

ет также функции контроля и управления. Он добавляет к каждому передавае-

мому символу стартовый бит и стоп-бит.

На рис. 8.6 изображено 8-битовое слово данных и показаны дополнитель-

ные биты. Стартовый бит всегда имеет значение логического «0», стоп-бит

–

логической «1».

Рис. 8.6. Слово данных с дополнительными битами

Скорость передачи данных принято измерять в бодах. Один бод равен од-

ному биту в секунду. Например, скорость передачи 1200 бод означает, что за

одну секунду будет передано 120 10-битовых символов: стартовый бит, 8 бит

данных и стоп-бит.

Если при передаче данных применяется контроль на четность, то восьмому

биту придается значение логического «0» или «1» так, чтобы в передаваемом

8-битовом слове данных было четное количество единиц.

Иногда используется бит нечетности. В этом случае общее количество еди-

ниц в 8-битовом слове должно быть нечетным.

Сигналы в линии могут иметь различное представление. При передаче на

небольшие расстояния в линии действуют уровни напряжения 3-5 В. При

больших расстояниях (до 1,5 км) используют токовую петлю – импульсы по-

стоянного тока 20 или 40 мА.

В случае дуплексной связи (т. е. передачи информации как в прямом, так и

в обратном направлении) используют четырехпроводную линию.

Асинхронная связь постоянным током (токовая петля) по четырехпровод-

ной дуплексной линии носит название радиального последовательного интер-

фейса (ИРПС).

Упрощенная структурная схема УАПП приведена на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Структура УАПП

УАПП состоит из трех секций: передачи, управления и приема. Секция пе-

редачи служит для преобразования данных из параллельной формы в последо-

вательную. Байт данных поступает из ЭВМ в параллельной форме в регистр

данных РД передатчика.

После завершения передачи в линию предыдущего байта и освобождения

выходного регистра байт данных переносится (также параллельно) в выходной

сдвиговый регистр. Здесь к нему добавляются служебные биты: стартовый,

стоповый, бит четности. Полученное таким образом содержимое кадра много-

кратно сдвигается в сторону младших битов, в результате чего на выходе кон-

цевого триггера регистра, связанного с передающей линией, последовательно

появляются значения всех битов кадра. Пока байт данных передается в линию,

в РД передатчика может загружаться из ЭВМ следующий байт данных.

Секция приема работает аналогично. Биты, поступающие из линии, вдви-

гаются во входной сдвиговый регистр. После получения всего кадра из него

убираются служебные биты и оставшаяся часть переносится параллельно в РД

приемника, откуда по команде программы данные принимаются в ЭВМ.

В секции управления имеются регистры команд и состояний РКС (обычно

два), с помощью которых программно устанавливаются характеристики УАПП

и фиксируются ошибки приема данных.

Линии последовательной передачи данных

Линии последовательной передачи подключаются к устройствам с исполь-

зованием одного из двух стандартов, показанных на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Интерфейс EIA RS-232 (а); интерфейс по току (б)

Широко распространенным является стандарт EIA RS-232C (рис. 8.8, а),

разработанный ассоциацией предприятий электронной промышленности США.

Согласно этому стандарту, уровню логической «1» соответствует напряжение

+3 В (сигнал высокого уровня), а уровню логического «0» – напряжение –3 В

(сигнал низкого уровня). Стандарт RS-232 используется для большинства ви-

деотерминалов и других устройств, удаленных от ЭВМ на расстояние до 100 м.

На рис. 8.8, б изображен источник постоянного тока 20 мА. В этом случае

передача сигналов осуществляется посредством включения и отключения ука-

занного источника.