Методические указания к курсу лекций
Самара 2005
УДК 681.3
Конспект лекций «Интерфейсы автоматизированных систем сбора и обработки информации» / Сост. В. Г. Иоффе. Самарский гос. аэрокосмический ун–т. Самара, 2005, 42с.
Методические указания содержат описание основных интерфейсов, применяемых в автоматизированных системах и их основные характеристики: ISA, PCI, PCMCIA, PXI,VXI, RS-232, USB
Методические указания предназначены для студентов специальности 230102 – “Автоматизированные системы обработки информации и управления”.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева
Рецензент: к.т.н., доцент Зеленко Л.С.
ISA
При реализации возможности обмена необходимо анализировать сигналы REFRESH, TOCHRDY (готовность), Ows (0,25 мкс), MCS 16, IOC 16. Эти сигналы (кроме REFRESH) формируются модулем после дешифрации адреса и оказывают влияние на цикл обмена по магистрали. Наличие сигнала OWS указывает на отсутствие в цикле такта ожидания.
Сигналы MCS16 и IDC16 задают цикл обмена шестнадцати разрядным словами (т.е. не надо анализировать сигналы BHE, АО, которые задают место операнда на линии данных).
К числу недостатков использования RDY относятся: ограниченное время ожидания (не более 2-15мкс), отсутствие возможности контроля сигнала RDY программно для того, чтобы быть уверенными в работоспособности устройства и согласованности работы с программой.
Обычно при работе с модулями, присоединёнными к магистрали, используется ввод/вывод по флангу готовности, а на вход RDY устанавливается «1». Адреса пользователей: 300-31F.
К приёмникам режима ПДП относят аппаратную реализацию захвата, одновременное выполнение команд. К недостаткам режима ПДП относятся «простой» микропроцессор во время приёма/передачи информации. Целесообразно, если нужен быстрый доступ к ОП для быстро действенных устройств.
Как оценить быстродействие в режиме ПДП? Оно определяется: быстродействие УВВ, ОЗУ, команды in, out в режиме ПДП. Оценивая быстродействие КПДП необходимо учитывать цикл работы магистрали.
PCI
PCI предназначена для высокоскоростного обмена блочной информации в много процессорном режиме.
Магистраль синхронная, процессорно независимая.
Частота системного генератора 33, 66, 132 МГц.
Шины адреса и данных совмещенные. Идентификатор адреса отсутствует, адресная информация передаётся по первому синхроимпульсу, в процессе передачи данных. Разрядность шины адреса и данных 32, 64 бит. Пиковая пропускная способность:
32 МГц- 132 (261) Мб/с;
66 МГц- 264 (523) Мб/с;
132 МГц- 528 (1056) Мб/с.
Шина данных масштабируема (по байтно).
Шина адреса поддерживает раздельное адресное пространство (паять) ввода/вывода регистра конфигурации.
Для обращения к модулю используется логическая адресация. Метод передачи пакетный- на шину адреса выставляется адрес пакета, а увеличение адреса выполняется автоматически в ведущем и ведомом устройстве. Передачу заканчивает ведущее устройство, снимая сигнал Frame.
Шина команд использует смешанный способ кодирования в фазе адреса, по ней передаётся команда, кодируемая позиционно. В фазе данных идентификаторы длины передаваемого сообщения кодируются унитарно.
Особенность команд:
· раздельные команды для обращения к памяти устройства ввода/вывода и пространства конфигурации;
· наличие команд работы с памятью, с прямой и обратной записями;
· команды чтения рассчитаны на различную длину передаваемого сообщения (от 2 слов до 13 и более).
Такой механизм позволяет минимизировать время доступа к магистрали со стороны других устройств, увеличивать быстродействие по сравнению с обычными командами чтения.
Применение команды специального цикла позволяет увеличить пропускную способность магистрали за счёт использования дополнительных линий, работающих независимо от основной магистрали. Эта же команда позволяет реализовать широковещательные передачи.
Команда подтверждения позволяет работать, как с централизованным контроллером (как в VMBM PC) или децентрализованным (микропроцессор, типа, Motorola)
Шины состояний содержат линии контроля паритета по чётности. Особенностью которого является охват контроля не только шины данных, как обычно, но и шины адреса и шины команд.
Контроль об адекватности строки КЭШа и памяти определяется состояниями сигналов 
, 
. Если =0, =1, то память адекватно отражена в строках КЭШа.
Особенностью асинхронного сигнала обмена на магистрали PCI является сигнал готовности ведущего/ведомого устройства и возможность приостановки ведущего устройства сигналом STOP.
Шины управления обменом содержат 4 сигнала. Пример: временная диаграмма для PCI на рисунке 1.
В процессе арбитража определяется ведущее устройство, которое формирует цикл обмена. Начало обмена задаётся сигналом frame. По фронту первого импульса реализуется адресный цикл в процессе которого на шину адреса и данных выставляется адрес, на шину команд- команда, модуль дешифрирующий свой адрес формирует сигнал на выходе 
.
Если сигнал TRDY=IRDY=0 (сигнал готовности ведущего/ведомого), то реализуется цикл обмена данными, в процессе на линии адреса данных выставляются данные, а на линии команд указывается длина передаваемых данных. Завершение сигнала frame указывает на то, что осталось передать ещё одно данное.
Шины передачи управления поддерживают централизованный параллельный арбитраж с возможностью работы в режимах с фиксированным циклическим или смешанным приоритетами.
Для повышения быстродействия используется следующий приём: «скрытый» арбитраж. Арбитраж выполняется в цикле обмена данными. «Парковка» шины- если нет запросов от ведомых устройств на владение магистралью, то назначается устройство, которое владеет магистралью по умолчанию. Передача типа «back-to-back»- организация взаимных транзакций между устройствами без освобождения магистрали.
Использование механизма монопольного доступа по сигналу LOCK.
ПОДСИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ.
В состав шин прерываний входит 4 линии запроса. Организация подсистем прерываний существенно отличается от ISA. Отличие состоит в том, что в процессорно-независимой PCI шины должны работать, как с централизованным контроллером прерываний (фирма Intel82), так и с другими системами прерываний, например, фирма Motorola, в которых вектор прерываний формируется в модуле запрашивающем прерывания.
Обязательным требованием к модулям PCI является поддержка разделяемых прерываний на основании дейзи - цепочек (последовательная цепь).
В IBM PCI реализуется подсистема прерываний на базе централизованного контроллера по сравнению с ISA используется активный нулевой уровень, в качестве запроса, а цикл подтверждения прерываний-«1».
Связь контроллера прерываний с магистралью PCI осуществляется с помощью матричного коммутатора и соответствующей схемой соединения, приведённой на рис.15. Если число слотов в PSI+AGP не превышает четырёх, то каждому источнику запроса ставится в соответствие свой модуль, если
 |
Рисунок 2.- Пространство конфигураций PCI
модулей больше, то необходимо реализовать процедуру Полинга. Это необходимо учитывать, особенно, в системах реального времени.
Дополнительным фактором снижения быстродействия является использование мостов PCI PCI.
ПРИНЦИП АВТО КОНФИГУРАЦИИ.
Работа магистралей PCI начинается с авто конфигурации, в которой обнаруживаются все устройства, происходит установка задания и конфигурирование устройств без вмешательства пользователя, формируются системные карты адресов, памяти УВВ и распределяются другие ресурсы. Принципы конфигурации для других интерфейсов выполняются аналогично.
Пространство конфигурации PCI занимает объём 256 байт и разделено на три области или региона (см. рис. 2).
Первая область или заголовок обязателен для всех устройств, подключаемых к магистрали. Вторая область определяет тип устройства и кодируется для определённого класса устройств. Третья область определяется пользователем.
Устройство PCI, после сброса и выключения питания, доступно только
для цикла конфигурации, модули выбираются по индивидуальным линиям IDSEL, в качестве которых используются старшие разряды адреса. Структура
данных при конфигурации приведена на рисунке 3. Байты внутри слова выбираются в соответствии с информацией, записанной в с/БЕ (инверсные).
Структура модуля в стандарте PCI приведена на рисунке 4, а более детальная схема блока связи с интерфейсом на рисунок 5.
Выпускается большое количество законченных функциональных устройств в стандарте PCI, в качестве блоков связи с интерфейсом, как правило, используется ПЛИС (программные логические интегральные схемы). Современные ПЛИС работают на высоких частотах (более 500 МГц), перепрограммируемые, возможны варианты работы с flash – памятью. Внутри кристалла содержится 5-10 мин элементов. Некоторые ПЛИС могут содержать микропроцессор или ОМК. Выходные магистрали ПЛИС могут быть запрограммированы на параллельный или последовательный интерфейс.
Выпускается много плат прототипа или развития, на которых имеется монтажное поле для разработки устройств пользователя.
Рисунок 5. - Структурная схема УСИ
ИНТЕРФЕЙС PCMCIA (PC Card).
Этот интерфейс используется в мало габаритных переносных компьютерах.
Особенностью интерфейса является компактные модули, низкое энергопотребление, высокая надёжность. Номенклатура модулей довольна широка.
Варианты конструктивного исполнения карт в таблице 1. Структура интерфейса, имеющего выход на стандартные интерфейсы IBM PC приведены на рисунке 6.
Таблица 1. Варианты конструктивного исполнения карт PCMCIA.
| Тип | Габаритные размеры | Комментарии |
| I | 3.3x54x86(макс) мм | в основном, для карт памяти |
| II | 5x54x86(макс) мм | в основном, для устройств ввода-вывода |
| III | 10.5x54x86(макс) мм | в основном, для жестких дисков |
| I расширенный | тип I +40мм длиной дополнительный блок | |
| II расширенный | тип II +40мм длиной дополнительный блок |
В качестве базовой магистрали могут использоваться: ISA, PCI, мост PCI - USB, IEEE-1394.
Основу интерфейса составляют контроллеры до 255, каждый из которых поддерживает связь с 16- портами. Контроллер может управлять программируемым напряжением питания, позволяет программировать flash – память, если она имеется в составе модуля. Интерфейс поддерживает три независимых адресного пространства, скорость обмена определяется характеристиками базовой магистрали.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ.
Построение управляющих систем на базе офисных ПК имеют следующие недостатки: большие габариты и потребляемую мощность, большое время рестарта, отсутствие горячего подключения внутренних модулей, наличие электромеханических узлов, невозможность работы в условиях вибраций, ускорений, повышенной влажности, загазованности, высоких температур и т.д.
При работе в промышленных условиях (наличие помех, агрессивная среда, вибрация и т.д.) требуется применять специальные меры, обеспечивающие конструктивную электрическую и эксплутационную надёжность.
К числу конструктивных мер относятся:
Ø использование крейтов с пассивными магистралями и направляющими для установки модулей;
Ø дополнительное применение модулей (винтовые);
Ø использование каскадных разъёмов с дополнительными креплениями и в некоторых случаях герметизированные;
Ø в некоторых случаях необходимы без каркасные конструкции, обеспечивающие максимальный доступ к модулям системы;
Ø эффективное использование конвекционного и кондукционного охлаждения;
Ø использование виброизоляции.
Наиболее широко используемые системы базируются на евромеханике.
Электрическую надёжность обеспечивает применение микросхем с пониженным электропотреблением, что позволяет увеличивать число модулей в системах, облегчает условие термостатирования при работе в условиях пониженных или повышенных температур.
Эксплутационные характеристики характеризуются временем наработки на отказ или коэффициентом готовности, который определяется, как время работы в без аварийном режиме к общему времени работы оборудования.
Повышение коэффициента готовности определяется важностью подсистемы и возможностью прекращения работы подсистемы. Наиболее дорогим методом является многократное горячее резервирование. Наиболее распространенными методами являются использование горячего подключение модулей и автоконфигураций. Трудность реализации горячего подключения состоит в том, что при подключении модулей не должны прерываться процессы (транзакции), выполняемые в данный момент в системе. Для реализации горячего подключения в автоматическом режиме необходимо: ножки напряжения питания выполнять более длинные, чем информационные линии. Должны быть средства, которые информируют систему о подключении или отключении модуля, как правило, это микро выключатель и индикатор завершения операции идентификации. Определённый набор регистров конфигураций, соответствующих данному интерфейсу. При установки модуля в систему первыми замыкаются линии питания, которые активизируют ресурсы модуля. При замыкании микропереключателя система определяет появление нового ресурса, выделяет его необходимые средства и включает его обработку в список реализуемых задач. Удаление происходит в обратном порядке. В более простых системах может использоваться ручное горячее подключение, когда оператор инициирует обращение к модулю и удаление модуля с помощью клавиатуры.
В наиболее ответственных системах помимо автоматического горячего подключения используется блокировка неработающих модулей. Механизмы вызывающие блокировку могут быть разными, а отключение модуля состоит в переводе выходных/входных линий в третье состояние и/или отключение напряжения питания.
Для работы с промышленными интерфейсами необходимы специальные технические средства. Процессорные блоки выполняются в виде одноплатных ПЭВМ, панельных ЭВМ, программируемых логических контроллеров (PLC). С целью сокращения рестарта системы используются электронные диски на базе flash памяти или других типов организаций, поддерживающих работу со стандартными интерфейсами (SCSI, SATA). Объём до несколько десятков Гб, время доступа от 100нс до 1мкс.
Промышленные интерфейсы могут быть выполнены на базе
Рисунок 7. - Механический стандарт РС-104(размеры в дюймах)
стандартных интерфейсов ПЭВМ (ISA, PCI), достоинством которых является наличие разработанного программного обеспечения, либо на базе интерфейсов открытых систем, использующих свои протоколы обмена. Интерфейсы ISA реализованы в промышленных интерфейсах PC-104 (IEEE P 9961) или MicroPC.
Наибольшее распространение получил PC-104., достоинством которого является компактность конструкций, размер платы (90х96 мм), допускающие различные варианты компоновки модулей, стек, материнская плата. PC-104 может использоваться в качестве мезонинного интерфейса в других модулях (рис. 7, 8).
При компоновки используется накладной сквозной штыревой разъём. Уменьшен минимальный выходной ток передатчика (до 4 мА), что позволило увеличить число модулей, подключаемых к передатчику. Возможность работы в бортовых системах, использование не только бортовых процессоров
Рисунок 8. - Объединение плат PC/104 в виде этажерки.
фирмы Intel, но и других контроллеров, возможность использования мезонинных технологий. Недостатки связаны с низкой пропускной способностью ISA, устранены в интерфейсе PC 104 Pcus, в котором добавлена 32 разрядная шина PCI, с использованием аналогичного сквозного разъёма.
ОСОБЕННОСТИ ИНТЕРФЕЙСА VME.
VME- Versa Module Eurocard.
Магистраль относится к классу процессорно-независимых, открытых, асинхронных, многопроцессорных магистралям. Максимальная пропускная способность до 100 Мб/с,,базовая 32 Мб/с. Количество ведущих устройств до 21. Цикл обмена по магистралям около 125 нс.
В рамках стандарта предусмотрены дополнительные интерфейсы, увеличивающие общий трафик магистрали. Последовательная магистраль VMS, с пропускной способностью 2,9 Мб/с-200 Мб/с (в зависимости от реализации). VSB- 32 разрядная локальная магистраль для обмена с памятью и устройствами ввода/вывода, её скорость работы выше, чем у базовой магистрали. VIC BUS- средство расширения магистрали, позволяющее размещать до 15 крейтов VME.
Шины адреса и данных раздельные для 32 разрядных магистралей, совмещённые для 64 разрядных. Обе шины масштабируемы.
Особенностью шины адреса является использование общего адресного пространства и отсутствие, в явном виде, разряда А0. Вместо разряда А0 используется две шины сигнала:
· 
;
· 
.
Эта особенность позволила идентифицировать устройство, расположенное по чётным или нечётным адресам. Особенностью шин команд является наличие идентификатора адреса AM0-AMS, сигнала подтверждения прерывания 
, бытового сигнала, указывающего направление передачи 
и сигналов, обеспечивающих масштабирование 
, 
, 
.
Модификатор адреса (АМ) реализует следующие функции:
· управляет размером адресного пространства в текущем цикле, может быть задана короткая, стандартная, расширенная или длинная адресация (16, 32, 64).
· Указывает тип цикла магистрали и источник управления: супервизор или пользователь.
Введение различий между супервизором и пользователем позволяет защищать системные ресурсы от несанкционированного доступа.
Модификатор адреса расширяет адресное пространство, т.к. по одному адресу можно обращаться к устройствам, работающим с разными модификаторами. Это возможно, потому что в начальный цикл адресации передаётся модификатор, а затем адрес. Значение модификатора адреса распределяется на специфицированные (стандартные), предназначенные для расширения функций интерфейса и модификаторы пользователя, они могут использоваться для создания команд.
Например, групповая пересылка, защита областей общей памяти в многопроцессорных системах и т.д.
Шина команд реализует гибкий механизм управления ресурсами системы, что приводит к снижению аппаратных затрат, т.к. позволяет управлять разрядностью шины адреса, данных (в модулях) и вводить дополнительные команды.
Шины управления обменом содержат системный генератор на 16МГц, служащий источником стабильной частоты, не связанной с циклом обмена по магистрали. Сигнал достоверности адреса содержит 
, данных и . Все эти сигналы позволяют реализовать конвейерную обработку информации на магистрали. Для этого в модуле должен быть предусмотрен регистр защёлка. Окончание действия в модуле указывает сигнал 
.