Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Об'єднання модулів МПС в єдину систему і взаємодія МП з зовнішніми пристроями відбувається за допомогою інтерфейсу (від англійського interface - сполучати, узгодити).
Інтерфейс - це комплекс ліній і шин, сигналів і електронних схем, алгоритмів і програм, що забезпечують обмін інформацією між різними функціональними пристроями МПС і між самими МПС. Інтерфейс - поняття узагальнююче. Можна виділити:
· Логічну середу інтерфейсу - це правила і алгоритми обміну (їх часто називають протоколами), а також програми, що реалізують обмін;
· Фізичне середовище інтерфейсу - це вид і параметри сигналів;
· Конструктивну середу інтерфейсу - це електронні схеми, вид і кількість ліній зв'язку, тип електричних роз'ємів.
Інтерфейс виконує дуже важливу роль в МПС. Продуктивність, надійність і ефективність використання МПС визначається не тільки характеристиками входять до її складу пристроїв, але в дуже великій мірі характеристиками інтерфейсів, що зв'язують пристрої МПС.
Інтерфейс повинен забезпечити:
· Можливість реалізувати МПС з різною конфігурацією, тобто з різним складом пристроїв; включати в систему нові пристрої без будь-яких переробок в апаратурі, а лише шляхом додавання програм, які обслуговують дані пристрої;
· Можливість ефективної реалізації обміну інформацією в МПС, що містить пристрої зі значно розрізняються швидкостями передачі даних, причому в умовах, коли запити на операції введення / виводу від зовнішніх пристроїв надходять в довільні моменти часу і мають різну відносну терміновість виконання;
· Спрощення і уніфікацію програмування операцій введення / виводу з виключенням необхідності врахування особливостей того чи іншого типу зовнішнього пристрою.
Зазначені вимоги вдається реалізувати при використанні стандартних інтерфейсів МПС.
Стандартний інтерфейс - це комплекс уніфікованих апаратних, програмних і конструктивних засобів, необхідних для взаємодії різних функціональних пристроїв (модулів) МПС. Взаємодія здійснюється за допомогою сигналів, які передаються за допомогою електричних (або оптичних) ланцюгів, званих лініями інтерфейсу; набір ліній, згрупованих за функціональним призначенням, прийнято називати шиною інтерфейсу. Уніфікація правил взаємодії спрямована на забезпечення інформаційної, електричної та конструктивної сумісності. Саме уніфікація і стандартизація лежить в основі побудови інтерфейсів.
Електрична сумісність означає узгодженість параметрів електричних і оптичних сигналів, які передаються середовищем інтерфейсу, відповідність логічних станів рівнями сигналів, здатності компонентів і характеристикам використовуваних ліній передачі (довжина, допустиме навантаження і т.д.).
Конструктивна сумісність означає можливість механічного з'єднання електричних ланцюгів, а іноді і механічної заміни деяких блоків; цей вид сумісності забезпечується стандартизацією сполучних елементів (роз'ємів, штекерів і т.п.), кабелів, конструкцій плат і т.д.
Реалізація стандартного інтерфейсу визначається документом (стандартом), його описує. Дотримання стандарту забезпечує сумісність виробів різних виробників і гарантує отримання заявлених характеристик інтерфейсу.
В даний час розроблено і використовується кілька десятків стандартних інтерфейсів. Все це розмаїття можна розбити на дві групи по виконуваних функцій:
· Системні інтерфейси, що забезпечують сполучення всередині модулів, між модулями МПС;
· Зовнішні інтерфейси, які забезпечують зв'язок МПС із зовнішніми пристроями, а також між самими МПС. Ці інтерфейси часто називають інтерфейсами введення / виведення.
Зовнішні інтерфейси прийнято характеризувати наступними параметрами:
1) видом зв'язку. розрізняють:
· Дуплексний зв'язок (повідомлення можуть передаватися одночасно в двох напрямках, що вимагає двох окремих каналів зв'язку);
· Напівдуплексний зв'язок (повідомлення можуть передаватися в двох напрямках, але одночасно можлива передача тільки в одному. Використовується один канал зв'язку, але він може перемикатися для зміни напрямку передачі);
· Симплексну зв'язок (повідомлення можуть передаватися тільки в одному напрямку);
2) пропускною спроможністю, тобто кількістю інформації, переданої через інтерфейс в одиницю часу (вимірюється в Кбіт / с або Мбіт / с);
3) максимально допустимим відстанню між пристроями.
Конкретні значення цих параметрів залежить від безлічі факторів, зокрема, від інформаційної ширини інтерфейсу, тобто числа розрядів переданих даних, способу синхронізації, середовища інтерфейсу, організації ліній інтерфейсу, суміщення або функціонального поділу ліній. Всі ці фактори визначають організацію інтерфейсу.
Організація інтерфейсів визначається способами передачі інформації (паралельної або послідовної, асинхронної або синхронної), з'єднання пристроїв і використання ліній.
Послідовна і паралельна передача інформації. Цифрові повідомлення можуть передаватися в послідовній і паралельної формі, відповідно інтерфейси прийнято ділити на послідовні і паралельні.
У послідовному інтерфейсі передача даних здійснюється по одному інформаційному каналу. Цей канал може складатися з однієї сигнальної лінії і зворотний провід (такі інтерфейси називають однопровідними). У загальному випадку число ліній може бути і більше. За додатковими лініях передаються сигнали синхронізації і управління. Інтерфейси послідовного типу характеризуються відносно невеликими швидкостями передачі і низькою вартістю мережі зв'язку.
У паралельному інтерфейсі передача повідомлень виконується послідовно квантами, що містять m біт. Кожен квант передається одночасно по m сигнальним лініях. Величина m називається шириною інтерфейсу і зазвичай відповідає або кратна байту. Найбільш поширені інтерфейси, в яких m = 8 або m = 16.
Синхронна і асинхронна передача інформації. Взаємодія передавача і приймача передбачає узгодження в часі моментів передачі і прийому кванта інформації. При синхронній передачі передавач підтримує постійні інтервали між черговими квантами інформації в процесі передачі всього повідомлення. Приймач незалежно або за допомогою надходять від передавача керуючих сигналів забезпечує прийом квантів в темпі їх видачі.
Синхронний режим передачі при послідовному інтерфейсі може бути реалізований двома способами:
1) з використанням внутрішньої синхронізації;
2) з використанням зовнішньої синхронізації.
При використанні внутрішньої синхронізації передавач на початку сеансу передачі повідомлення передає заздалегідь обумовлену послідовність біт, яка називається символом синхронізації SYN. Перехід лінії інтерфейсу зі стану «1» в стан «0» використовується приймачем для запуску внутрішнього генератора, частота якого збігається з частотою генератора в передавачі; приймач розпізнає передається символ SYN, після чого приймає символ повідомлення, починаючи з його першого біта. Цей процес показаний на рис. 1, а. Сталість інтервалів передачі (і прийому) символів забезпечується синхронно працюючими незалежними генераторами в передавачі і приймачі, які повинні мати високу стабільність частоти.
Передачу називають асинхронної, якщо синхронізація передавача і приймача здійснюється при передачі кожного кванта інформації. Інтервал між передачею квантів непостійний. При послідовному інтерфейсі кожен передається байт «обрамляється» стартовим і степових битами, як показано на рис. 2. Стартовий біт змінює стан лінії інтерфейсу з «1» на «0» і служить для запуску генератора в приймальнику; стоповий біт переводить лінію в початковий стан і зупиняє роботу генератора. Таким чином, синхронізація передавача і приймача підтримується тільки в інтервалі передачі одного байта інформації.
Рис.1. Синхронна передача даних: а) - при внутрішній синхронізації; б) - при зовнішньої синхронізації
Мал. 2. Асинхронна передача послідовних даних
З'єднання пристроїв і організація ліній інтерфейсу. З'єднання між собою декількох пристроїв виконується за допомогою індивідуальних ліній для кожної пари пристроїв (двоточкова схема) або загальної для всіх пристроїв середовища інтерфейсу на основі поділу часу. У другому випадку для запобігання конфліктних ситуацій, що виникають при спробах декількох пристроїв одночасно використовувати загальну середу, виділяють спеціальну схему управління інтерфейсом, звану арбітром.
Організація ліній інтерфейсу. Крім поділу ліній на індивідуальні та колективні, їх прийнято ділити за критерієм можливого напрямку передачі на одно- і двонаправлені, а за критерієм можливості суміщення передачі різних видів інформації на повністю суміщені, з частковим суміщенням і повним поділом.
При зміні електричного потенціалу сигнал поширюється по провіднику в усіх напрямках однаково (зі швидкістю світла), тому терміни «однонаправлена» і «двунаправленная" означають ні напрям поширення сигналу по лінії, а право змінювати потенціал на ній. Правом змінювати потенціал лінії має передавач. Таким чином, якщо передавачі розташовуються з обох кінців лінії, то її називають двобічної. Для усунення можливих конфліктів на лінії вихідні каскади передавачів повинні бути виконані на логічних елементах з трістабільний виходом або з відкритим колектором (відкритим стоком).
Середа інтерфейсу. Найбільш поширені в інтерфейсах електричні сигнали. У послідовних інтерфейсах використовуються одно провідна і двопровідний методи передачі сигналів.
На рис. 3, а наведена схема з'єднань передавача Пд і приймача ПМ при односпрямованої однопровідною лінії зв'язку.
Мал. 3. Передача сигналів в послідовному інтерфейсі:
а) - за однопровідною лінії; б) - по двухпроводной лінії
У однопровідною лінії для передачі використовується один сигнальний провід, напруга на якому порівнюється в приймальнику з напругою дроти «сигнальна земля», загальним для всіх сигнальних провідників. Цей спосіб побудови лінії найбільш простий, але має істотний недолік: на інформаційний сигнал накладаються перешкоди в лінії. Це обмежує довжину лінії відстанню всього кілька десятків метрів.
Передача сигналів по двухпроводной електричної лінії дозволяє значно послабити вплив перешкод. Використовується диференційний спосіб передачі (рис. 3, б). Застосовується диференційний передавач і диференційний приймач. Двухпроводная лінія виконується зазвичай у вигляді витої пари. Сигнал передавача з'являється на вході приймача у вигляді різницевого напруги, тоді як перешкоди в лінії залишаються синфазними. Завдяки цьому диференційний приймач практично не сприймає ці перешкоди. Довжина лінії зв'язку при використанні цього методу передачі може складати сотні метрів і навіть кілька кілометрів.
Невелике число ліній послідовних інтерфейсів дозволяє легко реалізувати гальванічні розв'язки між передавачами і приймачами. Гальванічна розв'язка дозволяє виключити зрівняльні струми за загальними провідникам і тим самим зменшити взаємовплив окремих пристроїв, що володіють різним енергоспоживанням, вона дозволяє знизити перешкоди на лініях інтерфейсу і захистити схеми управління при виході з ладу силових керованих ланцюгів. Гальванічна розв'язка реалізується або на одному кінці лінії зв'язку, або на обох кінцях. Зазвичай для цієї мети використовуються оптрони.
Останнім часом в інтерфейсах все ширше застосовуються волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ). Для їх реалізації є велика кількість елементної бази з високим ступенем готовності до застосування. Великою перевагою ВОЛЗ є несприйнятливість до електромагнітних завад. Неметалева природа середовища передачі даних забезпечує гальванічну розв'язку між пристроями інтерфейсу. Пропускні спроможності ВОЛЗ значно вище пропускної здатності цифрових інтерфейсів з електричної природою сигналів. Головним недоліком ВОЛЗ є висока ціна кабельного і приймально-передавального обладнання.
Іншим різновидом оптичного середовища передачі даних є оптичні атмосферні канали. Вони знайшли широке застосування в інтерфейсах з невеликою пропускною здатністю, що працюють на відстані до декількох метрів в межах прямої видимості. У таких системах зазвичай застосовуються випромінювачі на інфрачервоних світлодіодах. Відкритість середовища передачі даних унеможливлює одночасну роботу декількох систем в межах одного приміщення, а також ставить якість сигналу в залежність від стану атмосфери. Подібні лінії передачі даних знайшли широке застосування в побутовій техніці, де забезпечують взаємодію пультів управління з приладами, обмін даними між мобільними пристроями і персональним комп'ютером і т.п.
Ще один клас атмосферних оптичних систем зв'язку реалізується на лазерах і дозволяє створювати двонаправлені лінії зв'язку на великі відстані. Тут досяжні дуже високі швидкості обміну даними (до терабіта в секунду). Недоліком цих систем є висока чутливість до стану атмосфери (задимлення, туман, сніг і т.д.).
Для передачі даних можуть використовуватися і радіоканали. Діапазон відстаней від декількох метрів до практично нескінченно. Пропускна здатність обмежена зверху частотою. Радиосреде передачі даних використовується послідовними однопровідними інтерфейсами. Очевидно, забезпечується гальванічна розв'язка пристроїв. Однак, собівартість реалізації та енергоспоживання досить високі. Крім того, як правило, потрібно ліцензування використання радіоканалу. З розвитком стільникового зв'язку з'явилася можливість використовувати її для реалізації користувальницьких систем передачі даних.