Одним из основных структурных элементов ЭВМ является ИНТЕРФЕЙС. ИНТЕРФЕЙС(ИФ) – совокупность линий, шин, магистралей и правил приёма и передачи данных в ЭВМ. Так как ЭВМ это сложная система то задачи интерфейса на каждом уровне организации свои.
Уровень ЛЭ
Цель интерфейса на логическом уровне это передать информацию с максимальным быстродействием и минимальной сложностью. На любом уровне интерфейс предназначен для передачи одной структурной единицы информации(СЕИ).
Рисунок 16. Организация передачи СЕИ
Логическая линия состоит из двух электрических, так как для передачи тока нужен контур. Рассмотрим работу линии передачи информации, изображенной на рисунке 16:
- Если y = 0 то «0» на выходе
- Если у = 1 то на выходе Uвых лэ1 , где y есть управляющий сигнал.
Роль логического ключа может выполнять коньюнктор, таблица истинности которого представлена на рисунке 17.
а
y
В
Рисунок 17. Таблица истинности коньюнктора
Как видно из таблицы коньюнктор выполняет функцию логического умножения в = а&y.Если в роле логического ключа использовать коньюнктор, то рисунок 16 можно представить в виде:
Рисунок 18. Использование коньюнктора в качестве логического ключа
В реальных устройствах на логическом уровне могут быть задачи: «Из двух элементов необходимо в третий передать адресно 1 Бит информации». Для решения таких задач применяют логический коммутатор, который называют МУЛЬТИПЛЕКСОР(см.рис.19).
.
Рисунок 19. Мультиплексор
На рисунке 19 представлен мультиплексор линии с организацией 2 на 1(МПРл 2х1). Управляющий сигнал у выполняет роль адреса, с помощью него определяется какой из источников должен быть на выходе:
- если у = 1, то с = а;
- если у = 0, то с = в.
Часто возникает потребность развести адресно не 2, а например 4-е источника информации, для чего используют уже двухразрядный адрес. Если количество ИИ равно 8, то адрес трехразрядный.
РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ–служат для адресного распределения информации от источника к тем или иным приёмникам. На логическом уровне распределитель называют «ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРОМ»
Рисунок 20. Демультиплексор
На рисунке 20 представлен Демультиплексор линии с организацией 1 на 2 (ДМПРл 1х2). В данном случае управляющий сигнал у определяет адрес приемника, подключаемого к источнику информации:
- у = 0, с = а;
- у = 1, в = а;
Мультиплексор и демультиплексор предназначены для управляемой передачи информации с максимальным быстродействием. Быстродействие на логическом уровне определяется задержкой логических элементов τлэ. Таким образом, получаем, что максимальное быстродействие на логическом уровне достигается за счет минимизации количества логических каскадов.
Уровень ОЭ
Структурной единицей информации на данном уровне является БАЙТ, равный 8 Бит. Для передачи информации используются электрические линии. По одной лини можно передать только 1 бит информации, поэтому для передачи сразу 8 Бит информации используют шины(совокупности линий)(см рис 21).
Рисунок 21. Использование шины для передачи информации
Управляющий сигнал уиграет роль ключа:
- у = 0, Uвх оэ2 = “0”;
- у = 1, Uвх оэ2 = Uвых оэ1.
Реализация такой схемы на операционном уровне представлена на рисунке 22.
Рисунок 22. Схема синхронного ИФ
В каждой точке стоит коньюнктор. Совокупность восьми коьюнкторов и управляющего сигнала и шины данных образуют управляемую шину данных.
Шина, как и всякое физическое устройство имеет протяженность. В зависимости от расстояний между операционными элементами, которые соединяются шиной применяются различные правила передачи информации и используется различная архитектура модуля передачи. Если шина расположена в пределах одной платы, то тактирование ОЭ осуществляется одним генератором СИ, как это показано на рисунке 22. если же между источником и приемником довольно таки большое расстояние, то ОЭ приемник И ОЭ источник запитываются от разных генераторов СИ, в этом случае операционные элементы работают асинхронно и передача одного байта информации осуществляется квитированием.Квитанция устанавливает значение триггера-квита, который разрешает передачу следующего байта информации. Если триггер-квит = 1, то передача предыдущего байта информации прошла успешно и разрешается передача следующего байта. Если при передаче произошла ошибка, то в триггер-квит передается состояние приемника и передача байта информации повторяется.
Задачи интерфейса на логическом уровне совпадают с задачами на операционном уровне а именно ставится задача предать СЕИ с максимальной скоростью и минимальной сложностью. Кроме того, решаются задачи коммутации и распределения с помощью шинных мультиплексора и демультиплексора.
Рисунок 23. Мультиплексор шины 2х1
Шина состоит из линий, поэтому операции мультиплексора на операционном уровне аналогичны операциям мультиплексора на логическом уровне то есть если у = 1, с = а, если у = 0, то c = в. Существует специальное соотношение, поясняющее структуру шинного мультиплексора:
.
Число мультиплексоров линии в мультиплексоре шины совпадает с разрядностью шины.
Рисунок 24. Демультиплексор шины 1х2
В каждую линию ставится Демультиплексоры линии, которые в совокупности образуют Демультиплексор шины с организацией 1 х 2.
Уровень СЭ
Структурные элементы соединяются между собой управляемой системной шиной. Так как число структурных элементов в ЭВМ достаточно велико (5), то возникает проблема организации подключения СЭ к системной шине таким способом, чтобы обеспечить максимальное быстродействие СЭ.
При организации интерфейса на структурном уровне решаются четыре основные задачи:
1. Любой структурный элемент имеет свой формат машинного слова, поэтому первой задачей интерфейса является: «Задача согласования форматов машинных слов»,то есть другими словами должна быть реализована функция переводчика машинного слова одного СЭ в машинное слово другого СЭ;
2. Структурные элементы обладают не только различными информационными словами, но и имеют различную скорость передачи информации (причем скорости могут отличаться весьма существенно от сотен Мегабайт в секунду в ядре ЭВМ до единиц Килобайт в контроллерах внешних устройств) , в связи с этим второй задачей интерфейса на структурном уровне является «задача согласования скоростей передачи информации между структурными элементами».
3. Передача информации между СЭ производится следующим образом: в начале передачи указывается число байт подлежащих передаче, которое записывается в таймер интерфейса или приемника информации, и по мере передачи содержимое счетчика таймера уменьшается , и, когда оно достигает нулевого значения, передача информации прекращается. Таким образом, 3-ёй задачей интерфейса является «подсчет и контроль информации, передаваемой от одного структурного элемента к другому».
4. «Защита информации, передаваемой от одного СЭ к другому».
В современных ЭВМ широко используются два типа организации интерфейса:
- ИФОШ (интерфейс общей шины);
- интерфейс канала ввода-вывода.
Рассмотрим их поподробнее:
ИФОШ получил широко распространение в локальных вычислительных сетях. При организации интерфейса данного типа все СЭ подключаются к единой системной шине (СШ) (см.рис. 25). СШ включает в себя три шины:
- информационная шина;
- шина управления;
- шина осведомительных сигналов.
Причем информационная шина часто разбивается на две шины: шину адреса и шину данных.
Рисунок 25. Подключение СЭ к ИФОШ
Обычно разрядность ОШ выбирают совпадающей с разрядностью того СЭ, который наиболее часто использует системную шину; таким ОЭ является ОП; разрядность других СЭ может не совпадать с разрядностью системной шины. ИФОШ получил широкое распространение благодаря простоте в использовании (к нему, например, легко подключиться).
ИФОШ также имеет серьезные недостатки. Например, серьезным недостатком такой организации интерфейса является то, что в любой момент времени к шине может быть подключен один источник и один приемник информации, что заставляет простаивать другие СЭ, тем самым существенно снижая КПД не участвующих в передаче информации СЭ. Следовательно, ИФОШ целесообразно применять при небольшом количестве СЭ (не больше 10). Кроме того, существует еще один серьезный недостаток: при такой организации интерфейса: «не учтены различия в скоростях передачи информации между различными структурными элементами».
Поэтому наряду с ИФОШ широко используют интерфейс канала ввода-вывода(ИФКВВ).
ИФКВВ:
Данный принцип организации взаимодействия между структурными элементами лишен вышеописанных недостатков. Принцип организации интерфейса канала ввода-вывода представлен на рисунке 26.
Рисунок 26. Интерфейс канала ввода-вывода
СК – скоростной канал;
МК –медленный канал;
НОД –накопитель на оптических дисках;
НЖД– накопитель на жёстких магнитных дисках;
НГД –накопитель на гибких магнитных дисках;
ВУ– внешнее устройство;
КР – контролер;
НФПСК –интерфейс процессор – скоростной канал;
НФПМК – интерфейс процессор – медленный канал;
ИФПОП– интерфейс процессор – оперативная память;
Процессор наделяется отдельной функцией ввода-вывода. Специальный контроллер процессора управляет интерфейсами ПСК, ПМК и ПОП параллельно, то есть процессор может обрабатывать информацию, содержащуюся в оперативной памяти и одновременно обмениваться данными через СК с накопителями или через МК с внешними устройствами. Так как внешних устройств в такой схеме много, то скорость работы медленного канала равнее сумме скоростей работы всех внешних устройств.
При использовании такой архитектуры интерфейса число источников и приемников, подключенных к системной шине одновременно, может быть намного больше единицы.
Хотя и схема канала вода вывода более быстродейственна она тоже не лишена недостатков. При использовании данной схемы возникают дополнительные сложности при подключении к шине. Каждое устройство, подключаемое к шине в этом случае, должно быть оборудовано контроллером(см. рис. 27).
Рисунок 27. Подключение к системной шине с помощью контроллера
Контролер служит для перевода машинных слов «с языка системной шины на язык внешнего устройства», контролеры обычно располагаются на материнской плате.
Рг 1 – регистр управления;
Рг 2 – регистр состояния;
Рг 3 – регистр данных.
Регистры контроллера подключаются к системной шине и если выставлен адрес контроллера, если же он не выставлен, то устройство отключено от шины. Каждый из регистров, входящих в контроллер имеет свое имя и обращения к ним идут по имени.
В регистре состояния фиксируется слово-состояния внешнего устройства, в котором размещается запрос на обслуживание. Процессор опрашивает регистры ВУ и в соответствии с выставленными в них кодами начинает производить какие либо операции.
В регистре управления содержится слово-управления.
Регистр данных содержит данные при вводе и выводе.
В настоящее время в ЭВМ широко используется интерфейс PSI, который сочетает в себе все достоинства ИФОШ и интерфейса канала ввода-вывода, и который практически лишен их недостатков(см. рис. 28).
Рисунок 28. Структурная схема PSI интерфейса.
ПСА - программируемый связной адаптер;
ППА – программируемый параллельный адаптор;
Данный интерфейс имеет следующие преимущества:
- Учитываются скорости работы всех устройств, что увеличивает быстродействие программы.
- Процедура подключения к этому устройству не вызывает сложностей при подключении любого внешнего устройства.
.
.
