ИНТЕРФЕЙС (interface). Совокупность правил взаимодействия устройств и программ между собой или с пользователем и средств, реализующих это взаимодействие. Понятие интерфейса включает в себя как сами аппаратные и программные средства, связывающие различные устройства или программы между собой или с пользователем, так и правила и алгоритмы, на основе которых эти средства созданы. Например, интерфейс устройств - это и линии связи между ними, и устройства сопряжения, и способ преобразования передаваемых от устройства к устройству сигналов и данных, и физические характеристики канала связи. Программный интерфейс - это и программы, обслуживающие передачу данных от одной задачи к другой, и типы данных, и список общих переменных и областей памяти, и набор допустимых процедур или операций и их параметров. Интерфейс пользователя с программой - это и изображенные на экране терминала кнопки, меню и другие элементы управления, с помощью которых пользователь управляет решением задачи, и сам терминал и предусмотренные в программе операторы, позволяющие такое управление осуществить.
Пользовательский интерфейс - в данной главе это значит общение между человеком и компьютером.
Во многих определениях, интерфейс отождествляется с диалогом, который подобен диалогу или взаимодействию между двумя людьми. И точно как наука и культура нуждается в правилах общения людей и взаимодействия их друг с другом в диалоге, также и человеко-машинный диалог также нуждается в правилах.
Общий Пользовательский Доступ - это правила, которые объясняют диалог в терминах общих элементов, таких как правила представления информации на экране, и правила интерактивной технологии такие, как правила реагирования человека-оператора на то, что представлено на экране.
КОМПОНЕНТЫ ИНТЕРФЕЙСА
На практическом уровне, интерфейс это набор стандартных приемов взаимодействия с техникой. На теоретическом уровне интерфейс имеет три основных компоненты:
· Способ общения машины с человеком-оператором.
· Способ общения человека-оператора с машиной.
· Способ пользовательского представления интерфейса.
МАШИНА К ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ
Способ общения машины с пользователем (язык представления) определяется машинным приложением (прикладной программной системой). Приложение управляет доступом к информации, обработкой информации, представлением информации в виде понятном для пользователя.
ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ К МАШИНЕ
Пользователь должен распознать информацию, которую представляет компьютер, понять (проанализировать) ее, и переходить к ответу. Ответ реализуется через интерактивную технологию, элементами которой могут быть такие действия как выбор объекта при помощи клавиши или мыши. Все это составляет вторую часть интерфейса, а именно язык действий.
КАК ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ ДУМАЕТ
Эту часть интерфейса составляет комплекс представлений пользователя о приложении в целом, что называется пользовательской концептуальной моделью .
Пользователи могут иметь представление о машинном интерфейсе, что он делает и как им работать. Некоторые из этих представлений формируются у пользователей в результате опыта работы другими машинами, такими как печатающее устройство, калькулятор, видеоигры, а также компьютерная система. Хороший пользовательский интерфейс использует этот опыт. Более развитые представления формируются от опыта работы пользователей с самим интерфейсом. Интерфейс помогает пользователям развивать представления, которые могут в дальнейшем использоваться при работе с другими прикладными интерфейсами.
Разработка пользовательского интерфейса: что это значит?
Дизайн сайта, расположение функциональных блоков, содержание и расположение контента производится таким образом, что пользователь подталкивается к совершению необходимого действия: звонок, написание комментария, совершение покупки, заказ товара и т.д. Стоит понимать, что поведение пользователей никак не корректируется и не изменяется. Трансформации подвергается сам сайт.
Пользовательский интерфейс
– порядок расположения функциональных блоков сайта, способствующий совершению определенных действий пользователем. Это может быть звонок, покупка товара, написание отзыва. Такой же результат может обеспечить и оценка юзабилити. Но путать эти понятия не стоит: от пользовательского интерфейса юзабилити отличается тем, что это метод, позволяющий оценить удобство пользования сайтом и успех выполнения пользователем задач. В то время как проектирование интерфейсов – полностью готовый прототип сайта. Проектирование подразумевает использование результатов юзабилити. Без данных, полученных при применении этой методики, ничего не получится.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13
Стандартные интерфейсы передачи данных компьютерных систем
Цель работы . Ознакомление с основными интерфейсами передачи данных компьютерных систем.
Задание:
1.Ознакомиться с основными интерфейсами.
2.Определить основные параметры интерфейсов (прерывания, порты ввода-вывода, DMA, скорость обмена данными).
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Интерфейс – коммуникационное устройство (или протокол), позволяющее одному устройствувзаимодействовать с другим. Устанавливает соответствие между выходом одного устройства и входом другого.
С появлением USB (Universal Serial Bus) постепенно уходят в прошлое оставшиеся со времен первых IBM PC реликты, связанные с архитектурой шины ISA: COM и LPT-порты, интерфейс подключения FDD. Чипсеты материнских плат, в которых отсутствует явная поддержка шины ISA, ныне занимают львиную долю рынка. Практически все современные чипсеты поддерживают интерфейс USB, в том числе новой спецификации 2.0. Архитектурой USB предусмотрена топология так называемой «звезды». То есть в системе должен быть корневой (ведущий) концентратор, к которому подключаются периферийные концентраторы, а к последним - устройства USB. Периферийные концентраторы могут подключаться друг к другу, образуя каскады. Всего через один корневой концентратор может быть подключено до 127 устройств (концентраторов и устройств USВ). Однако, учитывая относительно невысокую пропускную способность шины версии 1.0 (до 12 Мбит в секунду), что с учетом служебных расходов составит около 1 Мбайт в секунду, - оптимальным числом следует считать 4-5 устройств. При этом рекомендуется более скоростные устройства подключать ближе к корневому концентратору. Проблема низкой пропускной способности снимается с внедрением спецификации интерфейса USB 2.0, чья пиковая производительность достигает 480 Мбит/с. Такого значения вполне хватает для типичных USB-устройств: принтеров, офисных сканеров, цифровых фотокамер, джойстиков и прочих. Но все же для внешних накопителей, сканеров высокого класса, цифровых видеокамер требуется более скоростной интерфейс, например, SCSI.
Спецификация USB определяет две части интерфейса: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть делится на аппаратную (собственно корневой концентратор и контроллер USB) и программную (драйверы контроллера, шины, концентратора, клиентов). Внешнюю часть представляют устройства (концентраторы и компоненты) USB. Для обеспечения корректной работы все устройства делятся на классы: принтеры, сканеры, накопители и т. д. Классы устройств и особенности их функционирования подробно описаны в спецификации USВ. При отклонении от этих требований могут возникнуть проблемы с загрузкой драйверов и подключением устройств. Напротив, точное следование спецификации позволяет создавать драйверы для любых устройств сторонним производителям программного обеспечения. Разделение устройств на классы происходит не по их целевому назначению, а по единому способу взаимодействия с шиной USВ. Поэтому драйвер класса принтеров определяет не его разрешение или цветность, а способ передачи (односторонний или двунаправленный) и форматирования данных, порядок инициализации при подключении. Данные по шине USB передаются в различных форматах. Самый простой способ заключается в передаче потока байтов с маркером. При этом маркер путешествует в направлении корневого концентратора от устройства к устройству, а данные передаются при наличии свободной полосы пропускания. Гарантированную полосу пропускания обеспечивает изохронный формат. В этом случае опрос синхронных устройств производится с частотой, требуемой для полосы пропускания. Также производится синхронизация тактовых частот приемника и передатчика. Изохронный режим чаще всего применяют для подключения звуковых устройств, которым требуется постоянная полоса пропускания. Формат прерываний применяют для устройств, работающих в реальном масштабе времени до наступления требуемого события. Опрос таких устройств происходит с фиксированной частотой, а передача данных осуществляется при получении сигнала о произошедшем событии. Формат управления является специфическим и служит для конфигурирования и управления концентраторами и устройствами. Процедура подключения периферии к шине USB происходит «в горячем режиме». Подключенное в свободный порт устройство вызывает перепад напряжения в цепи. Контроллер немедленно направляет запрос на этот порт. Присоединенное устройство принимает запрос и посылает пакет с данными о классе, затем ему присваивается уникальный идентификационный номер. Далее происходит автоматическая загрузка и активация драйвера устройства, его конфигурирование и, тем самым, окончательное подключение. Все, устройство готово к работе! Точно так же происходит инициализация уже подсоединенного и включаемого в сеть устройства.
Графическое обозначение
Порт PS/2
Названные в честь IBM PS/2 эти разъёмы сегодня широко используются в качестве стандартных интерфейсов для клавиатуры и мыши, но они постепенно уступают место USB.
В персональных компьютерах, начиная с AT, клавиатура подключается через разъем к специальному контроллеру (UPI-Universal Peripheral Interface) на системной плате. В самой клавиатуре имеется микроконтроллер, который соединен последовательным каналом с микросхемой универсального интерфейса периферийных устройств. Данные по каналу передаются пакетами по 11 бит, из которых 8 бит отведено под собственно данные, а остальные - под синхронизирующие и управляющие сигналы. Заметим, что последовательный интерфейс клавиатуры не совместим с последовательным интерфейсом RS-232C. Микросхема содержит собственную оперативную память и ПЗУ. Контроллер, установленный в клавиатуре, при нажатии на клавишу определяет координаты замкнутого контакта в матрице и передает контроллеру так называемый «скан-код». В свою очередь, контроллер преобразует поступивший скан-код и направляет его в процессор. Для этой операции монопольно используется линия запроса прерываний IRQ1. Интерфейс PS/2 отличается от AT только разъемом и контроллером, установленным на системной плате. Интерфейс PS/2 использует однополярный сигнал с уровнем +5 В. Передача данных происходит в синхронном режиме. Так как обычная мышь с последовательным интерфейсом RS-232C является асинхронной и для питания используется двуполярный сигнал, она не совместима с портом PS/2. Попытка подсоединить мышь RS-232C через переходник к порту PS/2 может привести к выходу ее из строя. Таким образом, через переходник к разъему PS/2 можно подключать только клавиатуру, а также те мыши RS-232, которые комплектуются специальным переходником.
Интерфейс IDE (ATA)
За долгую историю развития интерфейса IDE (Integtated Drive Electronics - электроника, интегрированная в накопитель) появилось множество обозначений его стандартов. Начнем с уже далеких 80-х годов, когда фирма IBM выпустила компьютер спецификации AT (Advanced Technology - передовая технология). Винчестер этого компьютера был подсоединен к 16-битной шине ISA и управлялся собственным контроллером. Крупнейший производитель жестких дисков фирма Western Digital предложила управляющую электронику встроить в сам винчестер. Согласованный стандарт на такой интерфейс получил название ATA (AT Attachment - подключение к AT) и обеспечил возможность модернизации путем простой замены (или добавления) жестких дисков. Чуть позднее появилось обозначение этого же интерфейса IDE. Ныне под аббревиатурой IDE часто подразумевают вообще все устройства, совместимые с интерфейсом ATА «сверху вниз»: Fast ATA, EIDE, Ultra ATА и прочие. Спецификация ATА определила, что к одному каналу можно подключать два устройства (Master и Slave). Установила режимы обмена данными РIO (0, 1, 2, 4, 5) и DMA (SW 0, 1. 2 и MW0).
Режим PIO (Programmed Input-Output - программный ввод-вывод) предусматривает участие центрального процессора в обмене данными между диском и оперативной памятью. В режиме DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти) устройство напрямую общается с системной памятью, перехватывая управление шиной. Протоколы SW (Single Word - однословный) и MW (Multi Word - многословный) определяют, в каком виде передаются данные. Номера режимов указывают на продолжительность цикла обмена и, тем самым, на скорость передачи данных (например, 1 - 240 нc, 2 - 180 нc). В сокращенном виде обычно это записывают так: SW2 DMA. MW1 DMA, PIO2 и т. д. Особенности 16-битной адресации шины ISA не позволяли поддерживать жесткие диски объемом свыше 528 Мбайт.
Интерфейс ATА не мог обеспечить подключения никаких других устройств, кроме жестких дисков. Между тем появились новые компоненты: дисководы CD-ROM, магнитооптика, стримеры, - каждый из которых оснащался собственным интерфейсом от производителя и обычно требовал подключения к слоту ISA уникальной карты расширения, несовместимой с другими устройствами. К тому же и скорость жестких дисков значительно выросла, и режимы, предусмотренные ATА, уже не удовлетворяли современным требованиям. Так появился стандарт на интерфейс ATА-2, который устанавливал более скоростные протоколы РIO (3 и 4), MW DMA (1 и 2), определял новый режим обмена данными Block transfer (передача блоками) и адресацию дискового пространства LBA (Logical Block Addressing - адресация логическими блоками). Кроме того, были расширены команды идентификации диска, выдающие информацию по системным запросам о характеристиках устройства. Как уже говорилось, интерфейс IDE/ATА даже в самых последних реализациях остается 16-битным. Шина же PCI, к которой подключены IDE-контроллеры чипсета материнской платы, является 32-разрядной. Поэтому контроллер составляет из двух переданных подряд 16-битных пакетов один 32-битный и пересылает его дальше по шине. Ясно, что даже в самом скоростном режиме 16-битный пакет, отправляемый с жесткого диска, тормозит работу системы. Именно поэтому для высокопроизводительных устройств предпочитают диски с интерфейсом SCSI. В 1997 г. был принят очередной стандарт АТА-3, фактически имевший, по сравнению с АТА-2, единственный новый элемент - так называемую технологию S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology - технология самотестирования и анализа). По режимам обмена данными АТА-3 полностью соответствует АТА-2. Существенным шагом вперед в развитии интерфейса стало появление протокола ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс АТА). Он обеспечивал подключение к каналу IDE компонентов, отличных от жестких дисков. При этом с точки зрения пользователя разницы в доступе к устройствам различного типа не было. Протокол АТАРI требует соответствующей поддержки со стороны BIOS, причем последние версии BIOS могут назначить любое устройство, присоединенное по протоколу ATAPI, загрузочным. Протокол вошел в новый стандарт ATA/ATAPI-4, утвержденный в 1998 г.
Протоколы обмена данными также пополнились новыми стандартами: режимом Ultra DMA mode 2 и режимом коррекции ошибок по контрольной сумме (CRC - Cyclic Redundancy Check). Кроме того, появились многозадачные режимы, то есть режимы параллельного выполнения команд и создания очередей двумя устройствами на одном канале IDE (правда, с существенными ограничениями). Жесткие диски ATA/ATAPI-4 выпускались под обозначением Ultra АТА-33. Достаточно стройную и целостную систему интерфейсов АТА, описанную выше, не преминули запутать конкурирующие между собой производители жестких дисков и других носителей информации. Для того чтобы выделить свою продукцию на рынке, они придумали собственные названия интерфейсов. Первой по этому пути пошла компания Seagate, придумавшая название Fast ATА. На самом деле ее продукт отличается от АТА-2 как раз отсутствием самых быстрых режимов обмена (РIO4 и MW2 DMA). Фирма Quantum «изобрела» название Fast АТА-2 для своего интерфейса, ничем не отличающегося по существу от стандарта АТА-2. Больше всех ситуацию запутала компания Western Digital, придумавшая обозначение EIDE (Enhanced IDE - улучшенный IDE). Этот термин и сейчас достаточно широко применяется в компьютерной индустрии. Если же попытаться определить отличия EIDE от АТА-2, то выясняются удивительные вещи. Оказывается, EIDE целиком включает все спецификации АТА-2 и протокола ATAPI. Таким образом, выражение «жесткий диск с интерфейсом EIDE» по смыслу равнозначно фразе «жесткий диск с интерфейсом АТА-2». Тогда чем же отличается EIDE? Дело в том, что WD придумала хост-адаптер Dual IDE/ATА, позволяющий использовать до четырех устройств. Однако такой адаптер никакого отношения к собственно стандарту на интерфейс IDE не имеет и является для любого компонента IDE/ATА внешним устройством, обеспечивающим обычное функционирование согласно стандартам.
В 1999 г. был принят стандарт ATA/ATAPI-5, а большинство производителей поддержали его реальными продуктами. Протокол Ultra АТА-66 нового стандарта оговаривал режим передачи данных со скоростью до 66 Мбайт/с (спецификация Ultra DMA mode 4). Для подключения таких дисков понадобились новые шлейфы (с чередованием сигнальных проводников и линий, замкнутых на «землю»), имеющие 80 проводников, совместимые, к счастью, с существующими 40-контактными разъемами IDE. Исследования, проводившиеся многими фирмами, позволили еще более расширить полосу пропускания устройств IDE, использующих новый 80-жильный шлейф. Так появилась спецификация АТА/ATAPI-6, определяющая требования к жестким дискам и интерфейсу с пиковой пропускной способностью до 100 Мбайт/с (режим Ultra DMA mode 5). В частности, предусмотрено увеличение LBA с 32 до 64 бит. Поддержка особых режимов передачи потокового видео, меры по уменьшению шумности дисков. Жесткие диски с интерфейсом АТА/ATAPI-6 сейчас представлены достаточно широко и обычно обозначаются продавцами как ATА-100. Возможности дальнейшего совершенствования параллельного интерфейса IDE, несмотря на появление жестких дисков UltraATA-133 практически исчерпаны и потому в качестве перспективного направления рассматривается последовательный интерфейс Serial АТА.
Официальная спецификация на Serial ATA появилась в 2002 году, а годом ранее были представлены первые жесткие диски с новым интерфейсом. Чипсеты на системных платах с поддержкой Serial ATA впервые увидели свет осенью 2002 года. Для прежних системных плат необходимо иметь отдельный контроллер, устанавливаемый в слот PCI, что означает ограничение производительности.
Главное отличие нового интерфейса состоит в принципиально ином - последовательном - способе обмена данными. Данные передаются по восьмижильному кабелю, уровень сигналов составляет 3,3 В. На сегодняшний день реализация интерфейса позволяет достичь пиковой пропускной способности 1,5 Гбит/с (примерно 187 Мбайт/с), однако разработчики обещают в ближайшем времени увеличить этот показатель вдвое. Таким образом, наконец-то полоса пропускания внешнего интерфейса будет соответствовать скорости внутренней передачи данных (между собственно диском и буфером) жестких дисков. Первой летом 2000 г. представила жесткий диск с интерфейсом Serial ATA фирма Seagate.
Интерфейс PCI
PCI (Peripheral Component Interconnect) - соединение внешних компонентов. Разработка интерфейса PCI происходило весной 1991 года в недрах корпорации Intel. Перспективные процессоры 80486 и Pentium требовали новой организации взаимодействия с периферийными компонентами. Инженеры Intel решили начать «с нуля» и в результате разработали шину, напрямую не связанную с системной. Так удалось обеспечить независимость интерфейса от конкретного типа процессора и его параллельную работу с несколькими устройствами PCI. Новый интерфейс оказался несовместимым ни с одним из предшествующих (ISA, VESA) и потребовал разработки набора системных микросхем. С целью обеспечить поддержку сторонних производителей Intel сделала архитектуру и спецификации PCI открытыми, поэтому вскоре образовалась группа заинтересованных организаций, создавшая и утвердившая спецификацию версии 2.1. Уточненная и усовершенствованная спецификация получила обозначение 2.2. Интерфейс PCI предусматривает тактовую частоту шины 33 МГц (вариант PCI 2.2 - до 66 МГц, PCI-X - до 133 МГц), что обеспечивает пиковую пропускную способность до 132 Мбайт/с (до 1064 Мбайт/с для 64-разрядных данных на частоте 133 МГц).
Интерфейс обеспечивает поддержку режима Bus Mastering и автоматической конфигурации компонентов при установке (Plug-and-Play). Все слоты PCI на материнской плате сгруппированы в сегменты, число разъемов в сегменте ограничено четырьмя. Если сегментов несколько, они соединяются посредством так называемых мостов (bridge). В настоящее время PCI является самым распространенным интерфейсом. С его помощью подключают к материнской плате устройства расширения: звуковые карты, контроллеры SCSI, модемы, карты видеозахвата, сетевые карты и прочие компоненты.
Длительная популярность PCI объясняется рядом преимуществ, предоставляемых интерфейсом по сравнению с его предшественниками.
· Во-первых, поддерживается синхронный обмен данными формата 32 или 64 бит. При этом используется метод мультиплексирования (передача адресов и данных по очереди по одним линиям), что позволило снизить число контактов в разъемах.
· Во-вторых, предусмотрена установка компонентов с уровнями сигналов 5В или 3,3В. «Ключи» (пластмассовые перемычки) на разъемах исключают установку плат в «чужой» слот. Возможно изготовление универсальных плат расширения, поддерживающих оба уровня сигналов (что сейчас и делает большинство производителей).
Комбинация частот шины 33 МГц или 66 МГц с разрядностью данных предоставляет достаточно широкий диапазон для выбора пропускной способности шины. Заметим, что при частоте 66 МГц допустим уровень сигнала только 3,3В (а устройства на 33 МГц могут выйти из строя на более высокой частоте).
Спецификация PCI требует поддержки компонентами режима Multiple Bus Mastering (многостороннее управление шиной). В таком режиме устройства перехватывают управление шиной и самостоятельно распределяют ее ресурсы. Специальный таймер, имеющийся на устройстве, определяет максимальное время, в течение которого возможен монопольный доступ.
Один канал контроллера PCI поддерживает до четырех слотов расширения. Для удвоения их числа применяется мост между парой контроллеров. Метод передачи данных по шине называют Linear Burst (метод линейных пакетов). То есть, данные при записи-чтении идут единым пакетом, так как адрес для каждого следующего байта автоматически увеличивается на единицу. Таким образом отпадает необходимость передавать адресный блок. Для ускорения передачи применяется кэширование: поддерживаются методы отложенной «write-back» и сквозной «write-through» записи.
Важной особенностью интерфейса PCI является поддержка протокола Plug-and-Play (PnP). Спецификацией 2.2 определены три типа ресурсов: диапазон памяти, диапазон ввода-вывода и так называемое «пространство конфигурации». Последний ресурс содержит три региона: заголовок (не зависит от конкретного типа устройства), блок устройства, пользовательский блок. Заголовок содержит информацию об изготовителе, классе устройства, другие служебные сведения.
В целом интерфейс PCI справлялся с возложенными на него задачами в рамках присущих ему ограничений. Те же задачи, которые он не мог решить (например, передача больших массивов графических данных с высокой скоростью), были ловко переброшены фирмой Intel на плечи других интерфейсов (например, AGP).
До недавнего времени шина PCI использовалась не только для карт расширения, но и соединяла мосты системного чипсета. Однако существенные ограничения по пиковой пропускной способности стали тормозить рост производительности компьютерной системы. В частности, появление жестких дисков спецификации ATА-100, сетевых карт Gigabyte Ethernet, адаптеров SCSI спецификации Ultra 160, требовало увеличения пропускной способности шины PCI в несколько раз. Попытки усовершенствовать шину вылились в принятие спецификации PCI-X.
64-разрядные слоты интерфейса спецификации PCI-X (поддерживающего тактовую частоту до 133 МГц и передачу данных по протоколам DDR и QDR) пока встречаются только на высокопроизводительных серверах и рабочих станциях, так как увеличение ширины шины и ее рабочих частот привело к значительному удорожанию системной платы. Вместе с тем сам принцип параллельной разделяемой шины себя уже изжил.
Таким образом, срок жизни шины PCI на платформе PC постепенно истекает. Ничего необычного в этом нет - похожая история произошла с шиной ISA, которую уже не встретишь на современных системных платах. Очевидно, что переход на новую локальную шину будет происходить постепенно и сравнительно безболезненно для обычного пользователя. В настоящее время основными претендентами являются интерфейс PCI Express (3GIO), разработанный корпорацией Intel, и шина HyperTransport, предлагаемая фирмой AMD. Причем HyperTransport уже поддерживается многими наборами системной логики.
Интерфейс HyperTransport
Высокоскоростная шина ввода-вывода HyperTransport (HT) предназначена для использования в компьютерных системах, прежде всего в качестве внутренней локальной шины. В сравнении с шиной PCI интерфейс HyperTransport позволяет снизить число проводников на системной плате, устранить задержки, связанные с монополизацией шины устройствами с низкой производительностью, уменьшить энергопотребление и в целом многократно повысить пропускную способность.
Физически технология HyperTransport базируется на улучшенной версии низковольтных дифференциальных сигналов (Low Voltage Differential Signaling, LVDS). Для всех линий (данных, управления, тактовых) используются шины с дифференциальным сопротивлением 100 Ом. Уровень сигнала составляет 1,2 В (в отличие от 2,5 В, установленных спецификацией IEEE LVDS). Благодаря этому длина шины может достигать 24 дюйма (около 61 см) при полосе пропускания на одной линии до 800 Мбит/с. Необходимо заметить, что спецификация HyperTransport предусматривает разделение «восходящих» (Upstream) и «нисходящих» (Downstream) потоков данных (асинхронность). Такой подход обеспечивает возможность существенного увеличения, тактовых частот по сравнению с существующими архитектурами, поскольку каждый сигнал LVDS функционирует в пределах своей физической линии. Кроме того, пакет, объединяющий адреса, команды и данные, всегда кратен 32 бит. Поэтому обеспечивается его безошибочная передача по масштабируемым каналам шириной от 2 до 32 бит. Это позволяет применять единую технологию HyperTransport для соединения потребителей ресурсов шины различной производительности: процессор, оперативная память, видеоконтроллер, низкоскоростные устройства ввода-вывода, используя в каждом случае минимально необходимое число линий. В целом пиковая пропускная способность соединения Hyper Transport достигает 12,8 Гбайт/с (по 6,4 Гбайт/с на нисходящий и восходящий каналы шириной 32 бит при частоте 800 МГц и передаче данных по фронту и спаду сигнала). Для сравнения укажем, что пиковая пропускная способность системной шины (200 МГц) процессора AMD Athlon составляет 2,128 Гбайт/с. Важной особенностью технологии HyperTransport является совместимость с устройствами PCI на уровне протоколов. То есть производителям оборудования не придется писать даже новых драйверов.
Интерфейс SCSI
Часто сравнивают интерфейс SCSI (читается - «скази») исключительно с интерфейсом IDE. На самом деле такое сравнение не совсем корректно: SCSI, в отличие от IDE, позволяет подключать не только носители информации. SCSI является универсальным интерфейсом и до появления IEEE1394 ему практически не было альтернативы в работе с высокоскоростными устройствами. Сегодня максимальная (теоретическая) скорость передачи информации по шине IDE составляет 133 Мбайт/с (протокол Ultra ATA-133), для нового интерфейса Serial ATA - до 150 Мбайт/с. Спецификацией Ultra320 SCSI предусмотрена скорость обмена до 320 Мбайт/с. Реальные преимущества SCSI особенно заметны в многозадачных операционных системах и при обработке непрерывных потоков данных (например, видео). Многие известные производители (в частности, Iwill) выпускают материнские платы со встроенными контроллерами SCSI, где для инициализации требуется собственная система SCSI BIOS. На материнских платах со встроенным контроллером она обычно присутствует в системной BIOS в качестве дополнения. На платах расширения помещают собственную микросхему BIOS. Возможен и вариант (в самых дешевых системах) отсутствия BIOS и обеспечения поддержки интерфейса исключительно драйверами операционной системы.
Стандартные функции SCSI BIOS весьма похожи на функции системной BIOS:
· настройка конфигурации адаптера;
· проверка поверхности жестких дисков;
· форматирование на низком уровне;
· настройка параметров инициализации устройств;
· задание номера загрузочного устройства;
· выбор загрузочного устройства и пр.
Для запоминания и хранения конфигурации SCSI-устройств служит микросхема флэш-памяти (функциональный аналог CMOS системной платы). В системе SCSI взаимодействие между устройствами осуществляется по принципу «отправитель-адресат». Отправитель инициирует запрос и, дождавшись ответа от адресата, начинает обмен данными. Каждое устройство в цепочке имеет уникальный идентификационный (ID) номер в диапазоне от 0 до 7 (в последних спецификациях от 0 до 31), который выставляется специальным переключателем, перемычкой или присваивается автоматически (в современных устройствах). Причем номер 7 по умолчанию присвоен SCSI хост-адаптеру. В свою очередь, устройства, входящие в компонент, имеющий ID, получают номер логического устройства - Logical Unit Number (LUN). Например, при подключении массива из нескольких жестких дисков он получит собственный ID, а каждый жесткий диск - собственный LUN. Таким способом можно выстраивать цепочки до 256 устройств. Хотя в реальных задачах такие конструкции вряд ли потребуются. Данные по шине SCSI передаются в синхронном или асинхронном режимах. В асинхронном режиме адресат подтверждает получение каждого байта, в синхронном - только пакета данных. Начиная со спецификации SCSI-2 появились сценарии, когда весь набор процедур обмена формируется в один пакет и передается целиком. Также возможно независимое выполнение команд устройством. Например, стримеру дается команда на перемотку, и затем он отключается от шины до окончания процесса. В настоящее время действуют несколько спецификаций SCSI, различающихся шириной шины, тактовой частотой, физическим типом интерфейса подключения. Самый первый вариант (SCSI-1) имел 8-битную шину, данные по которой передавались со скоростью 5 Мбайт/с. Последний, Ultra320 SCSI, позволяет передавать данные на скорости 320 Мбайт/с.
К сожалению, различие стандартов на уровень и формат сигналов, электрические характеристики устройств SCSI в разных спецификациях интерфейса существенно затрудняют подключение компонентов разного поколения. Хотя в принципе задача эта решаема в подавляющем большинстве случаев.
Интерфейс AGP
Фирма Intel, обнаружив, что дальнейшее повышение производительности персонального компьютера «упирается» в видеоподсистему, уже сравнительно давно предложила выделить для передачи потока видеоданных отдельную интерфейсную шину - AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт). Буквально за год этот стандарт вытеснил существовавшие ранее интерфейсы, использовавшиеся видеокартами: ISA, VLB и PCI. Главным преимуществом новой шины стала ее высокая пропускная способность. Если шина ISA позволяла передавать до 5,5 Мбайт/с, VLB -до 130 Мбайт/с (однако при этом чрезмерно загружала центральный процессор), а PCI до 133 Мбайт/с, то шина AGP теоретически имеет пиковую пропускную способность до 2132 Мбайт/с (в режиме передачи 32-разрядных слов).
Компания Intel разрабатывала интерфейс AGP для решения двух основных проблем, связанных с особенностями обработки ЗD-графики на персональном компьютере.
· Во-первых, трехмерная графика требует выделять как можно больше памяти для хранения данных текстур и Z-буфера. Чем больше текстурных карт доступно для ЗD-приложений, тем лучше выглядит картинка на экране монитора. Обычно для Z-буфера используют ту же память, что и для текстур. Разработчики видеоконтроллеров и раньше имели возможность использовать обычную оперативную память для хранения информации о текстурах и Z-буфере, но серьезным ограничением здесь выступала пропускная способность шины PCI. Ширина полосы пропускания PCI оказалась мала для обработки графики в режиме реального времени. Эту проблему компания Intel решила путем внедрения стандарта шины AGP.
· Во-вторых, интерфейс AGP обеспечивает прямое соединение между графической подсистемой и оперативной памятью. Таким образом, выполняются требования вывода ЗD-графики в режиме реального времени и, кроме того, более эффективно используется память буфера кадра (frame buffer), тем самым увеличивается скорость обработки 2D-графики. В действительности шина AGP соединяет графическую подсистему с контроллером системной памяти, разделяя доступ с центральным процессором компьютера. Через AGP возможно подключение единственного типа устройств - графических плат. При этом видеоконтроллеры, встроенные в материнскую плату и использующие интерфейс AGP, не подлежат модернизации. Для контроллера AGP конкретный физический адрес, по которому информация хранится в оперативной памяти, не имеет значения. Это является ключевым решением новой технологии, обеспечивая доступ к графическим данным как к единому блоку памяти.
Спецификация AGP фактически базируется на стандарте PCI версии 2.1, но отличается от него следующими основными особенностями, коренным образом влияющими на производительность:
· шина способна передавать два (AGP2x), четыре (AGP4x) или восемь (AGP8x) блоков данных за один цикл;
· устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления материнских плат адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
конвейеризация операций чтения/записи, по мнению разработчиков, позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.
Шина AGP поддерживает все стандартные операции шины PCI, поэтому поток данных по ней можно представить как смесь чередующихся AGP и РСI-операций чтения/записи. Операции шины AGP являются раздельными (split). Это означает, что запрос на проведение операции отделен от собственно пересылки данных. Такой подход позволяет AGP-устройству генерировать очередь запросов, не дожидаясь завершения текущей операции. Версия AGP 2.0 благодаря использованию низковольтных электрических спецификаций предусматривает осуществление четырех транзакций (пересылок блока данных) за один такт (режим AGP4x). Версия AGP 3.0 предусматривает пересылку уже восьми блоков данных за такт (режим AGP 8x). В настоящее время, хотя даже возможности AGP4x еще не исчерпаны многими видеокартами, компания Intel продвигает новую спецификацию - AGP Pro. Основное отличие этого интерфейса заключается в возможности управления мощным энергопитанием.
К исходу 2002 года в массовом количестве появились чипсеты, поддерживающие интерфейс AGP версии 3.0 (иногда обозначается как AGP 8x). Двукратное увеличение пропускной способности достигнуто за счет повышения тактовой частоты шины до 66 МГц и применения нового уровня сигналов 0,8 В (в AGP 2.0 использовался уровень 1,5 В). Тем самым при сохранении основных параметров интерфейса удалось повысить пропускную способность шины примерно до 2132 Мбайт/с.
В связи со все более широким проникновением трехмерной графики в различные программные продукты в обозримой перспективе встает вопрос о повышении пропускной способности шины видеокарты. Претендентами на замену AGP выступают новые универсальные интерфейсы локальной шины: HyperTransport и PCI Express.
| Стандарт | Пропускная способность |
| AGP 1X | 256 Мбайт/с |
| AGP 2X | 533 Мбайт/с |
| AGP 4X | 1066 Мбайт/с |
| AGP 8X | 2133 Мбайт/с |
Bluetooth
Единичная Bluetooth-система состоит из модуля, обеспечивающего радиосвязь, и присоединенного к нему хоста, в качестве которого может выступать компьютер или любое периферийное устройство. Bluetooth-модули обычно встраивают в устройство, подключают через доступный порт либо PC-карту. Поскольку все модули с точки зрения сети физически и функционально равноценны, от природы хоста можно абстрагироваться. Модуль состоит из менеджера соединений (link manager), контроллера соединений и приемопередатчика с антенной. Модули могут как соединяться по схеме «точка - точка», так и обеспечивать многоточечные соединения. Два связанных по радио модуля образуют пиконет (piconet). Причем один из модулей играет роль ведущего (master), второй - ведомого (slave). В пиконете не может быть больше восьми модулей: адрес активного участника пиконета, используемый для идентификации, является трехбитным. Уникальный адрес могут иметь семь ведомых модулей (ведущий не имеет адреса), а нулевой адрес зарезервирован для широковещательных (broadcast) сообщений. Для объединения больше восьми устройств в спецификацию введено понятие скэттернет (scatternet, рассеянная сеть). Скэттернет формируется из нескольких независимых пиконетов. Установить связь с модулем, подключенным к другому пиконету, может любой модуль сети, в том числе и ведущий.
Оптимальный радиус действия модуля - до 10м. Диапазон рабочих частот 2,402-2,483 ГГц. Коммуникационный канал Bluetooth имеет пиковую пропускную способность 721 Кбит/с. Для уменьшения потерь и обеспечения совместимости пиконетов частота в Bluetooth перестраивается скачкообразно (1600 скачков/с). Канал разделен на временные слоты (интервалы) длиной 625 мс (время между скачками), в каждый из них устройство может передавать информационный пакет. Для полнодуплексной передачи используется схема TDD (Time-Division Duplex, дуплексный режим с разделением времени). По четным значениям таймера начинает передавать ведущее устройство, по нечетным - ведомое.
Помимо полезных данных пакет содержит код доступа и заголовок. Имеется три вида пакетов: предназначенные только для голоса (обычно 64 Кбайт/с), только для данных и комбинированные. Для передачи разных пакетов предусмотрены два типа связей: асинхронная ACL (Asynchronous Connection-Less) и синхронная SCO (Synchronous Connection-Oriented). Разные пары ведущий-ведомый в пределах пиконета могут использовать различные типы связи. Более того, тип связи может по мере необходимости безо всяких ограничений меняться в течение сеанса связи.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
Правой кнопкой мыши нажимаем на значок Мой компьютер, после чего в выпадающем меню выбираем Свойства. Перед нами появляется Свойства системы, где мы выбираем закладку Оборудование. В появившейся закладке нажимаем кнопку Диспечер устройств. Перед нами появляется окно, в котором приведен список всего установленного оборудования на данном компьютере, тут же можно изменить свойства любого устройства. Пример диспечера устройств приведен на рис. 1.
1. IDE ATA/ATAPI контроллеры - это устройства, которые управляют другими устройствами, например жестким диском или CD-ROM, а также поддерживают обмен данными между этими устройствами и компьютером.
Конфигурация контроллера предусматривает выделение необходимых для него системных ресурсов.
В качестве последовательного промышленного интерфейса передачи данных в средствах автоматизации рассмотрим протокол RS-485.
Стандарт Ассоциации электронной промышленности (EIA) RS-485 представляет собой широко используемый промышленный стандарт на двунаправленную, симметричную линию передачи. Протокол стандарта
EIA RS-485 имеет следующие характеристики:
Максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети: 1200 метров (4000 футов);
Пропускная способность – 10 Мбод и выше;
Дифференциальная линия передачи (уравновешенные симметричные линии);
Максимальное число узлов в сегмент-32;
Двунаправленная коммуникационная линия с функцией арбитража работающая по кабелям, состоящим из одной витой пары;
Возможность подключения параллельных узлов. Истинная многоточечная схема подключения.
Модули ADAM являются полностью изолированными и при передаче и при приёме данных работают с единственной витой парой. Поскольку соединение узлов выполняется параллельно, модули могут быть свободно отключены от головного (системного) компьютера без каких-либо последствий для функционирования остальных узлов. Применение экранированной витой пары в промышленных условиях является предпочтительным, поскольку это обеспечивает получение высокого отношения полезный сигнал/шум.
При совместной работе узлов в сети, в ней не происходит конфликтов по передаче данных, поскольку используется простая последовательность команда/возвращённое значение. В сети всегда присутствует один инициатор обмена (без адреса) и большое количество пассивных узлов (с адресом). В нашем случае в качестве арбитра выступает персональный компьютер, подключённый через свой последовательный RS-232 порт, к сетевому преобразователю RS-232/RS-485 типа ADAM. В качестве пассивных участников обмена данными выступают модули ADAM. Когда модули не передают данные, они находятся в состоянии ожидания. Головной компьютер инициирует обмен данными с одним из модулей путём реализации последовательности команда/возвращаемое значение. Команда обычно состоит из адреса модуля, с которым хочет установить связь головной компьютер. Модуль с указанным адресом выполняет команду и передает возвращаемое значение в системный компьютер.
Многоточная структура сети RS-485 работает на базе двухпроводного соединения узлов в сегменте сети. Стыкуемые модули подключатся к этим двум линиям с помощью так называемых ответвителей (drop cables). Таким образом, все подключения выполняются параллельно и любые подсоединения и отсоединения узлов никак не влияют на работу сети в целом. Поскольку модули ADAM работают со стандартом RS-485 и используют команды в формате кодов ASCII, тот они могут стыковаться и обмениваться информацией с любыми компьютерами и терминалами, воспринимающими эти коды. При организации сети на базе протокола RS-485 могут применяться схемы соединений: в цепочку, звездой, смешанная и т.д.
Структурная схема системы связи, в состав которой входят приемники и формирователи, соответствующие требованиям настоящего стандарта, приведена на рис. 22. Элементами системы являются формирователи, приемники, соединительный кабель и согласующие резисторы (R с). Общая нагрузка, обусловленная наличием приемников и формирователей в пассивном (включенном, высокоимпедансном) состоянии, определяется количеством присутствующих единиц нагрузки. Единица нагрузки, в свою очередь, определяется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Нагрузкой является формирователь (G), приемник (R) либо их параллельное соединение в пассивном состоянии (рис.12).
Каждый случай неравномерности импеданса линии приводит к отражению и искажению передаваемого сигнала. Если неравномерность импеданса имеет место в линии передачи, это немедленно приводит к эффекту отражения сигнала, искажающему исходный сигнал. Особенно этот эффект проявляется на концах линий. Для устранения неравномерности установите на конце линии согласующее сопротивление.
Интерфейс RS-232
Один из наиболее распространенных последовательных интерфейсов. Первоначально разработан для связи терминалов с центральным компьютером, в настоящее время широко применяется для обмена данными между ПК и одиночными микроконтроллерными устройствами. Интерфейс RS-232 предназначен для соединения двух устройств (рис. 21). Передатчик одного устройства соединяется с приемником другого, и наоборот, что обеспечивает полудуплексный режим передачи данных. Для управления подключенным устройством можно использовать дополнительные линии порта RS-232 или специальные символы, добавляемые к передаваемым данным.
Скорость передачи 19 200 бит/c
Протяженность линии связи 15 м
Вид сигнала потенциальный с общим проводом
Число передатчиков 1
Число приемников 1
Интерфейс RS-422
Интерфейс разработан в 1975 г. для обмена данными между центральным компьютером и периферийным оборудованием. Интерфейс использует симметричную линию связи (рис. 22) и обеспечивает работу удаленного оборудования с ускоренным обменом данными. Интерфейс обеспечивает хорошее подавление помех общего вида за счет использования витой пары в качестве линии связи. Каждый передатчик может быть нагружен на несколько приемников (до 10), что позволяет обмениваться одновременно с несколькими устройствами.
Скорость передачи 10 Мбит/c
Протяженность линии связи 1200 м
Вид сигнала дифференциальный, витая пара
Число передатчиков 1
Число приемников 10
Организация связи полный дуплекс, точка-точка.
Интерфейс RS-485
Интерфейс широко распространен в промышленности для двунаправленного обмена данными по симметричной двухпроводной линии связи с повышенной нагрузочной способностью и протяженностью (рис. 23). Применяется для организации сетей типа «звезда» или «кольцо». Применение ретрансляторов позволяет увеличить расстояние между абонентами и организовать новый сегмент сети.
Интерфейс CAN
Последовательный интерфейс CAN специально разработан для объединения датчиков, исполнительных устройств и интеллектуальных контроллеров, управляющих каким-либо объектом в системах промышленной автоматизации. На рис. 24 приведена схема построения МПС на основе специальной магистральной шины.
Основные преимущества интерфейса: обеспечение режима обмена в реальном масштабе времени благодаря возможности инициативной передачи сообщений, высокая помехоустойчивость и протокол с коррекцией ошибок.
При виде исправной амуниции
Как презренны все конституции.
И при железных дорогах лучше сохранять двуколку.
К. Прутков
В предыдущих занятиях школы мы рассмотрели пример выбора способа реализации алгоритма и некоторые особенности проектирования устройств обработки сигналов. Сегодняшнее занятие в школе мы посвятим вопросам выбора и использования стандартных протоколов и интерфейсов передачи данных, используемых в современной аппаратуре обработки сигналов.
С задачей разработки устройств обмена данными в той или иной мере сталкивался практически каждый разработчик. В случае выбора протокола для нового изделия всегда встает вопрос о компромиссе между сложностью аппаратных средств интерфейса («амуниции») и протоколом передачей данных («конституции»). Кроме того, присматриваясь к новомодному интерфейсу, не следует забывать, что очень часто в наших скромных задачах достаточно возможностей старого доброго RS232 или RS485, реализация которых к тому же исключительно дешева и многократно отработана.
Последние несколько лет помимо прочих прелестей принесли разработчику и целый букет новых интерфейсов, позволяющих без помех передавать большие объемы информации на значительное расстояние. Современные ПЛИС ведущих производителей имеют встроенную аппаратную реализацию таких интерфейсов, как GTL, LVDS. Однако практически вся современная элементная база устройств обработки сигналов рассчитана на работу от питающего напряжения не выше 3,3 В, что вызывает необходимость разработки способов сопряжения указанных интерфейсов с традиционными. В то же время на русском языке практически отсутствует литература по этому вопросу. Многие компании опубликовали руководства по применению ИС для реализации технических средств интерфейса , но, к сожалению, они не всегда доступны российскому читателю.
Рис. 1. Области применения интерфейсов передачи данных
На рис. 1 представлены области использования различных интерфейсов передачи данных в координатах расстояние - скорость передачи.
Как нетрудно заметить, если требуется передача информации на расстояние больше нескольких десятков сантиметров, стандартные логические уровни оказываются неудовлетворительными. На помощь приходят специализированные протоколы. Какой же из них выбрать для разрабатываемой системы? Какая элементная база позволит реализовать его аппаратно? Каковы особенности применения данного интерфейса? Дать ответ на эти вопросы предстоит в этом занятии школы.
При выборе протокола передачи данных следует обращать внимание на несколько основных параметров. Это скорость передачи данных, расстояние между источником и приемником данных, заранее заданные уровни сигналов, совместимость, вид интерфейса (параллельный или последовательный). В табл. 1 приведена краткая характеристика основных интерфейсов и данные об основных производителях ИС, их поддерживающих. Разумеется, последний столбец отражает лишь малую толику существующих решений - в тех случаях, когда производителей слишком много, в таблице скромно указано семейство ИС.
Таблица 1. Интерфейсы передачи данных
| Тип интерфейса | Скорость передачи данных по одной линии, Мбит/с | Расстояние между источником и приемником данных, м | Стандарт | Производители элементной базы, поддерживающие интерфейс или семейства ИС |
| Последовательный | 25/50 | 1,5 | IEEE1394 - 1995 | |
| 100-400 | 4,5 | IEEE1394-1995/p1394.a | Texas Instruments, Intel и др. | |
| 12 | 5 | USB2.0 | Texas Instruments, Intel и др. | |
| 35 | 10 (1200) | TIA/EIA485(RS-485)(ISO8482) | ||
| 200 | 0,5 | LVDM (в разработке) | LVDM | |
| 10 | 10 (1200) | TIA/EIA422(RS-422)(ITU-TV.11) | Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др. | |
| 200/100 | 0,5/10 | TIA/EIA644(LVDS)(в разработке) | LVDS | |
| 512 Кбит/с | 20 | TIA/EIA232(RS-232)(ITU-TV.28) | Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др. | |
| Параллельно-последовательный, последовательно-параллельный | 455 | До 10 | TIA/EIA644 (LVDS) | Texas Instruments и др. |
| 1,25 Гбит/с | До 10 | IEEE P802.3z | Texas Instruments и др. | |
| 2,5 Гбит/с | До 10 | IEEE P802.3z | Texas Instruments и др. | |
| 35 | 10 (1200) | TIA/EIA485 (RS-485)(ISO8482) | Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др. | |
| 40/20 | 12/25 | SCSI | Многие производители | |
| 40 | 12 | LVD-SCSI | Многие производители | |
| 200/100 | 0,5/10 | LVDM (в разработке) | LVDM | |
| 33/66 | 0,2 | Compact PCI | ||
| 33/66 | 0,2 | PCI | TI, PLX, разработчики прошивок для ПЛИС | |
| Параллельный | Тактовая частота до 4 МГц | 10 | IEEE Std1284-1994 | AC1284, LVC161284LV161284 |
| Тактовая частота до 20 МГц | 0,5 | CMOS, JESD20, TTL, IEEE1014-1987 | AC, AHC, ABT, HC, HCT и др. | |
| Тактовая частота до 33 МГц | 0,5 | LVTTL (JED8-A), IEEE1014-1987 | LVTH. ALVT | |
| Тактовая частота до 40 МГц | 0,5 | VME64 StandardANSI/VITA1-1991 | ABTE | |
| Тактовая частота до 60 МГц | 0,5 | IEEE Std1194.1-1991 | BTL/FB+ | |
| Тактовая частота до 60 МГц | 0,5 | JESD8-3 | GTL/GTL+ | |
| Тактовая частота до 100 МГц | 0,5 | JESD8-3 | GTLP | |
| Тактовая частота до 200 МГц | 0,1 | EIA.JESD8-3,EIA/JESD8-9 | SSTL |
По способу организации передачи данных различают однопроводные (single-ended) и дифференциальные (differential) интерфейсы. На рис. 2 приведена обобщенная схема однопроводного интерфейса
При однопроводной передаче данных используется одна сигнальная линия, и ее логический уровень определяется относительно земли. Для простых медленных интерфейсов допускается использование общей земли. В более совершенных интерфейсах каждый сигнальный провод имеет свою землю, и оба провода, как правило, объединяются в витую пару. Преимуществом однопроводных систем является простота и дешевизна реализации. Поскольку каждая линия передачи данных требует только одного сигнального провода, они удобны для передачи параллельных данных на небольшое расстояние. Примером может служить привычный параллельный интерфейс принтера. Другой пример - последовательный интерфейс RS-232. Как видим, однопроводные интерфейсы часто применяются в тех случаях, когда решающим фактором является стоимость реализации.
Рис. 2. Однопроводный интерфейс
Основным недостатком однопроводных систем является их низкая помехоустойчивость. Из-за наводок на общий провод возможен сдвиг уровней сигналов, приводящий к ошибкам. При передаче на расстояния порядка нескольких метров начинает оказывать влияние индуктивность и емкость проводов.
Преодолеть указанные недостатки удается в дифференциальных системах. На рис. 3 приведена принципиальная схема реализации дифференциальной передачи данных.
Рис. 3. Дифференциальный интерфейс
Для балансной дифференциальной передачи данных используется пара проводов. На приемном конце линии вычисляется разность между сигналами. Заметим, что такой способ передачи данных пригоден не только для цифровых, но и для аналоговых линий. Ясно, что при дифференциальной передаче удается в значительной мере подавить синфазную помеху. Отсюда следует основное достоинство дифференциальных протоколов - высокая помехоустойчивость. Недаром один из самых распространенных протоколов в промышленных компьютерах - RS-485 построен по дифференциальной схеме.
Недостатком дифференциальных схем является их относительно высокая стоимость, а также сложности при выполнении парных согласованных каскадов передатчиков и приемников.
Рассмотрим физические параметры интерфейсов. В литературе принято следующее обозначение уровней.
- VIH - входное напряжение высокого уровня (логической единицы);
- VIL - входное напряжение низкого уровня (логического нуля);
- VOH - выходное напряжение высокого уровня (логической единицы);
- VOL - выходное напряжение низкого уровня (логического нуля).
На рис. 4 приведены логические уровни для однопроводных интерфейсов, а на рис. 5 - для дифференциальных.
Рис. 4. Уровни сигналов в однопроводных интерфейсах
Интерфейс TIA/EIA
- 644 (LVDS - Low voltage differential signaling), используется в скоростных системах передачи данных. Интерфейс LVDS использует дифференциальную передачу данных с довольно низкими уровнями сигналов. Разность сигналов составляет 300 мВ, линии нагружаются сопротивлением 100 Ом. Выходной ток передатчика составляет от 2,47 до 4,54 мА. Интерфейс TIA/EIA - 644 обладает лучшими характеристиками потребления по сравнению с TIA/EIA - 422 и может служить его заменой в новых разработках. Максимальная скорость передачи данных составляет 655 Мбит/с. Достоинство данного интерфейса - преемственность ИС приемопередатчиков по разводке с драйверами хорошо известных и применяемых интерфейсов RS-422 и RS-485. Данный подход позволяет использовать новые интерфейсы в уже разработанных платах , что облегчает переход на новую элементную базу.
Интерфейс LVDS
поддерживают многие современные ПЛИС, такие как APEX фирмы ALTERA, Virtex фирмы Xilinx и ряд других. Типичными представителями драйверов этого интерфейса являются ИС SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 фирмы Texas Instruments.
По электрическим свойствам к интерфейсу LVDS примыкает интерфейс LVDM
. Этот протокол поддерживают ИС SN65LVDM176, SN65LVDM050.
Рис. 5. Уровни сигналов в двухпроводных интерфейсах
При проектировании однопроводных интерфейсов одной из центральных проблем является сопряжение различных устройств с объединительной или кросс-платой (backplane systems), особенно если требуется «горячая замена» узлов. Как правило, на объединительной плате приняты единые уровни сигналов, и задача разработчиков периферийных плат состоит в правильном выборе средств сопряжения. Следует заметить, что за долгую историю ТТЛ-уровни стали стандартом де-факто для объединительных плат и внутрифирменных (или внутриведомственных) интерфейсов. Поэтому при развитии существующих систем и применении новой элементной базы возникает необходимость в сопряжении новых плат с общей шиной. Для этих целей существует целый набор решений.
Как известно, классические ТТЛ и КМОП семейства ИС обеспечивают ток нагрузки до 24 мА при минимальном импедансе линии 50 Ом. С появлением БиКМОП технологии стало возможным достигнуть значения выходного тока –32/ 64 мА и работы на линию с импедансом 25 Ом. Для этих целей приспособлено семейство ИС SN74ABT25xxx. Данные микросхемы могут быть также использованы в системах так называемой «горячей замены» модулей, съемные модули могут подключаться или отключаться по ходу работы прибора.
При проектировании подключаемых модулей необходимо выполнить несколько требований, которые, во-первых, предупредят поломку модуля при подключении к работающей системе и, во-вторых, не приведут к сбоям в работе системы. Рассмотрим их.
Интерфейс между подключаемым и основным модулями состоит из шин питания, земли и сигнальных шин. Модель микросхемы, подключаемой к системе, показана на рис. 6.
Рис. 6. Диоды на входе и выходе ИС
Защита входов и выходов микросхем осуществляется с использованием диодных ключей.
Для защиты выходов используются диоды Д3 и Д4. Диод D3 используется в микросхемах КМОП для защиты от электростатических разрядов. Диод D4 защищает от напряжения на выходе, меньшего уровня логического нуля.
При разработке подключаемых модулей лучше использовать микросхемы БиКМОП, поскольку они выгодно отличаются от прочих тем, что имеют схему (рис. 7), которая держит выход микросхемы в состоянии высокого импеданса в момент включения микросхемы. Эта цепь следит за напряжением питания и состоит из двух диодов D1 и D2 и транзистора Q1, на базу которого подается напряжение. При напряжении питания, которое меньше установленного (например, для серии ABT/BCT VCOFF~2,5 В, для LVT VCOFF~1,8 В), выход этой цепи переходит в состояние логической единицы. При этом он отключает сигнал на выходе микросхемы, независимо от входного. Это свойство микросхем БиКМОП гарантирует, что поведение схемы предсказуемо даже при очень низком напряжении питания.
Рис. 7. Цепь, отключающая выход при пониженном напряжении питания в микросхемах БиКМОП
При горячем подключении модуля поведение системы будет предсказуемо, если соблюдаются по крайней мере два условия:
- на разъеме есть один или несколько контактов земли, выдвинутых вперед относительно других контактов;
- интерфейс состоит только из биполярных или БиКМОП микросхем с тристабильными выходами или с выходами с открытым коллектором.
Проблема конфликтов на шине стоит особенно остро, когда встречаются выходные сигналы разных уровней - низкого и высокого. На рис. 8 показан этот процесс. Ток, который возникает в результате конфликта, достигает 120 мА, и в этой борьбе выживает та микросхема, которая имеет на выходе низкий уровень. Микросхема с высоким уровнем на выходе работает в режиме короткого замыкания и сгорает.
Рис. 8. Ток короткого замыкания при конфликтах на шине
Для того чтобы избежать такого конфликта, нужна дополнительная схема, которая во время включения питания держала бы выходы в состоянии высокого импеданса.
Основным элементом этой схемы может быть ИС TLC7705. Такие микросхемы используются для генерации сигнала RESET при включении прибора. В нашем случае выводы этой микросхемы подключаются ко входам разрешения шинных формирователей. Во время инициализации или включения модуля сигнал RESET переводит выходы микросхем в третье состояние. При создании таких схем удобно использовать микросхемы, которые имеют два входа ENABLE (например, SN74ABT541). Это решение показано на рис. 9.
Рис. 9. Мониторинг конфликтов на шине
Существуют шинные формирователи, которые уже содержат в себе все необходимые для защиты от шинных конфликтов компоненты - коммутаторы и резисторы. Эти микросхемы выпускаются в двух сериях: ETL (Enhanced Transceiver Logic, серия SN74ABTE) и BTL (Backplane Transceiver Logic, серия SN74FB).
Микросхемы серии ETL имеют дополнительный вывод для подключения напряжения зарядки выходной емкости микросхемы, обычно называемый VCCBIAS. Он питает схему, заряжающую конденсатор во время включения модуля.
На рис. 10 показана схема интерфейса с использованием микросхемы ETL. В момент включения модуля после подсоединения контактов VCC1 и GND на микросхеме U3 появляется напряжение VCCBIAS. Одновременно включаются микросхемы U2 и U1 и сигналом OE отключают выходы шинного формирователя от шины.
Рис. 10. Схема интерфейса с использованием микросхем серии ETL
Броски напряжения в цепях питания системы при подключении модуля появляются точно так же, как броски в сигнальных цепях. При этом величина заряжаемой емкости колеблется от десятков до сотен микрофарад и зависит от емкости блокирующих конденсаторов на подключаемой плате. Один из путей к ограничению скачка напряжения - включение в цепь питания коммутатора, который медленно включается. На рис. 11 предложена схема, в которой роль коммутатора играет P-МОП транзистор. RC-цепочка обеспечивает медленное изменение сигнала на базе транзистора. Диод D быстро разряжает конденсатор после того, как модуль был выключен.
Рис. 11. Схема медленного включения модуля с использованием транзистора
Предполагается, что транзистор имеет малое сопротивление во включенном состоянии. При работе рассеиваемая на транзисторе мощность невелика из-за небольшого падения напряжения. При необходимости можно параллельно включать несколько транзисторов.
В подключаемых модулях удобно использовать собственные источники питания.
На рис. 12 приведена схема источника питания, который получает из системы от десяти до сорока вольт и преобразует их импульсным способом в 5 В. Схема не дает броска напряжения при включении.
Рис. 12. Децентрализованный источник питания
В следующем занятии мы продолжим рассмотрение интерфейсов и особенностей применения логических ИС новых семейств.
Литература
- Стешенко В. Б. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов. // Компоненты и технологии, № , , 2000 г.
- Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС // Chip News,1999, № 8–10, 2000, №1, 3–5 .
- Стешенко В. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: «Додека», 2000.
- Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000.
- Стешенко В. ACCEL EDA: технология проектирования печатных плат. М.: «Нолидж», 2000, 512 с., ил.
