Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы и технические устройства

    Указанные признаки позволяют характеризовать только определенные аспекты организации интерфейсов.

    Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть выполнены  при условии классификации по нескольким совокупностям признаков: функциональному назначению, логической функциональной организации и физической реализации.

    К основным характеристикам интерфейса относятся следующие: функциональное назначение; структура или тип  организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена данными; номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи.

    Соединение  отдельных приборов и блоков между собой осуществляется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в группы для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе (топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования любого интерфейса.

    В отечественных и зарубежных микропроцессорных  измерительно-управляющих вычислительных системах (МП ИУВС) распространены асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации: 8-разрядные интерфейсы Microbus; 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus), Microbus, интерфейс микроЭВМ "Электроника 60" (Q-bus, LSI-11).

    Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, территориально удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в МП ИУВС применяют интерфейсы периферийных устройств. В таких интерфейсах используются как параллельный, так и последовательный способы обмена информацией. При этом последний по причине существенного упрощения собственно линии связи, а следовательно, и снижения стоимости наиболее предпочтителен, если при этом обеспечивается необходимая скорость передачи информации.

    В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных ИУВС, отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода которых могут отстоять друг от друга территориально на сотни метров (например, заводская или цеховая ИУВС), все более широко применяются системные интерфейсы или интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет многоуровневую архитектуру (совокупность) аппаратных и программных средств.

    Из  зарубежных локальных сетей наиболее известны DEC net фирмы "Digital Equipment Corp", z-net фирмы "Zilog Inc", сеть фирмы IBM, Om minet фирмы "Corvus Inc" и др.

    При построении ИИС, согласно ГОСТ 22316-77, должны применяться следующие структуры  соединения функциональных блоков  между собой:

• цепочечное соединение, при котором единственный выход предшествующего блока соединен    с единственным входом последующего блока, так что соединенные блоки образуют цепь;
• радиальное соединение, при котором один блок соединен одновременно с несколькими блоками, причем с каждым из них отдельной независимой линией;
• магистральное соединение, при котором входы и (или) выходы сопрягаемых блоков соединены одной общей линией.

    В цепочечной структуре каждая пара источник-приемник соединена попарно линиями от выходов предыдущих ФБ ко входам последующих, обмен данными происходит непосредственно между блоками или приборами. Функции управления распределены между этими устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как правило, в несложных системах с несколькими функциональными устройствами.

    В системе, выполненной по радиальной структуре, имеется центральное устройство - контроллер, с которым каждая пара источник-приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Блоки и приборы, подключаемые к контроллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении программы работы контроллера. Под управлением контроллера происходит обмен данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющим устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов может осуществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе устройств (абонентов). В последнем случае одно из устройств вырабатывает сигнал запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запрашиваемое устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически подключаются цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются подключенными, пока не будет передана нужная порция информации.

    Контроллер  может производить обмен данными  только с одним из устройств. В  случае одновременного поступления  запросов от двух и более абонентов по системе приоритетов будет установлена связь с устройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в зависимости от их типа, технических характеристик и важности поступающей информации. В интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет зависит от места подключения кабеля, соединяющего абонент (ФБ) с контроллером.

    Радиальное  соединение функциональных блоков позволяет  достаточно просто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуемого ФБ.

    К недостаткам радиальной структуры  можно отнести большую длину соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к увеличению стоимости ИС.

    В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин имеются  коллективные шины, к которым подсоединяются все источники и приемники информации и контроллер.

    По  принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные. При параллельной передаче цифровых данных численное значение величины, содержащее т битов, транслируют по т информационным линиям. Это сообщение одновременно и полностью может быть введено в интерфейс, а также воспринято приемником. Интерфейсные устройства параллельного ввода-вывода информации позволяют согласовать во времени процесс обмена данными между ЭВМ и периферийным устройством.

    Интерфейсные  функции

    Основные  функции интерфейса заключаются  в обеспечении информационной, электрической и конструктивной совместимости между функциональными элементами системы

    Информационная  совместимость - это согласованность  взаимодействий функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют:

• структуру и состав унифицированного набора шин;
• набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов функционирования;
• способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния;
• временные соотношения между управляющими сигналами.

      Логические условия информационной совместимости определяют функциональную и структурную организацию интерфейса и для большинства интерфейсов стандартизируются. Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные технико-экономические показатели (пропускную способность и надежность интерфейса).

    Электрическая совместимость — это согласованность  статических и динамических параметров передаваемых электрических сигналов в системе шин, с учетом используемой логики и нагрузочной способности элементов.

    Условия электрической совместимости  определяют:

• тип приемопередающих элементов;
• соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов и пределы их изменения;
• коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих элементов;
• схему согласования линии;
• допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам;
• требования к источникам и цепям электрического питания;
• требования к помехоустойчивости и заземлению.

    Условия конструктивной совместимости определяют:

• типы соединительных элементов (разъем, штекер);
• распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных элементов;
• типы конструкции платы, каркаса, стойки;
• конструкции кабельного соединения.

    Выполнение  информационных электрических и конструктивных условий интерфейса необходимо, но не достаточно для взаимного сопряжения устройств и обмена данными между ними. Эти устройства должны выполнять в определенной последовательности операции, связанные с обменом информации: распознавать адрес сообщения, подключаться к линиям интерфейса, передавать сообщение в интерфейс, принимать его из интерфейса и др.

    Интерфейсные  функции отличаются от приборных, связанных  непосредственно с проведением измерения, т. е. с преобразованием данных, их накоплением, первичной обработкой, представлением и др.

    Интерфейсные  функции обеспечивают совместимость  друг с другом различных приборов, не ограничивая работоспособность  других приборов в системе. Функции, которые устройства выполняют чаще всего, называются основными. К ним относятся:

• выдача и прием информации (выполняются источниками и приемниками информации);
• управление передачей данных (функция контроллера);
• согласование источника информации (выполняется устройством-источником или контроллером);
• согласование приемника информации (выполняется устройством-приемником или контроллером).

    Функции контроллера может выполнять  не только одно, но и несколько устройств в системе.

    Основные  функции интерфейса, которые необходимо реализовать для обеспечения  информационной совместимости, определяются функциональной организацией интерфейса. На канал управления возложены функции селекции информационного канала, синхронизации обмена информацией, координации взаимодействия, а на информационный' канал возлагаются функции буферного хранения информации, преобразования формы представления информации и др.

    Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает однозначность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы.

    Анализ  возможных вариантов реализации способов селекции устройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация запроса.

    Инициирование запроса включает в себя процедуры  выдачи, хранения и восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. Сигналы запроса могут храниться в регистре управляющего блока (радиальная структура шины запроса) или на отдельных триггерах каждого интерфейсного блока (магистральная структура шины запроса).

    Функция выделения приоритетного запроса  осуществляется на основе анализа сигналов занятости информационного канала, разрешения приоритетного прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа уровней приоритета.

    Идентификация запроса заключается в определении адреса приоритетного источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при запросе адресная информация называется вектором прерывания. Последний обозначает начальный адрес программы обслуживания прерывания от данного устройства.

    Функция синхронизации определяет временное согласование процессов взаимодействия между функциональными устройствами системы.

    Функция координации определяет совокупность процедур по организации и контролю процессов взаимодействия устройств системы. Основными операциями координации являются настройка на взаимодействие, контроль взаимодействия, передача функций управления (настройки) .

    В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее может  находиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоянии. Поэтому процессы взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня конфликтных ситуаций при доступе: к информационному каналу интерфейса и к устройству системы. Таким образом, операция настройки включает процедуры опроса и анализа состояния вызываемого устройства, а также передачи команд и приема информации состояния. Последовательность операций настройки может быть различной и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных устройств системы. В большинстве случаев алгоритмы настройки дополняются программным способом посредством передачи кодов команд и состояний по информационной шине.