Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Интерфейсы ЭВМ, систем и сетей

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра ВТ

Реферат

По дисциплине «Организация ЭВМ»

На тему: «Интерфейсы ЭВМ, систем и сетей»

Сдал: Кукарин В.Е.

Принял: Гребенников В.Ф.

Новосибирск

2012

1. Общая характеристика интерфейсов

1.1 Основные понятия. Определение интерфейса.

Интерфе́йс (от англ. interface — поверхность раздела, перегородка) — совокупность средств, методов и правил взаимодействия (управления, контроля и т. д.) между элементами системы. На практике интерфейс - это многоконтактное разъёмное кабельное соединение с чётким разграничением сигналов для каждого провода. Он позволяет присоединять и работать с различными периферийными устройствами.

Интерфейс должен обеспечивать:

Простое и быстрое соединение устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс;
Совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик;
Высокую надежность.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных модулей в микропроцессорных системах (МПС) при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных модулей.

Основными элементами интерфейса являются:

Совокупность правил обмена;
Аппаратная часть интерфейса (физическая реализация);
Программное обеспечение интерфейса.

Совокупность правила обмена обеспечивает информационную совместимость, предопределяет структуру соединений различных модулей и устанавливает протоколы обмена, набор сигналов, формат сообщения и т.п.

Аппаратная часть интерфейса обеспечивает электрическую и конструктивную совместимость интерфейса, именно здесь описываются допустимые статические и динамические параметры электрических сигналов, параметры соединителей (разъемов), правила экранировки и заземления и т.п.

Программное обеспечение интерфейса обеспечивает унификацию на уровне формирования адресного пространства для хранения системных констант и векторов прерываний, алгоритмов обмена с внешними устройствами (программ-драйверов).

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

1.2 Интерфейсные функции.

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

Конструктивная совместимость – это согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств.

Условия конструктивной совместимости определяют:

1. Типы соединительных элементов (разъем, штекер);

2. Распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных элементов;

3. Типы конструкции платы, каркаса, стойки;

4. Конструкции кабельного соединения.

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:

1. Тип приемопередающих элементов;

2. Соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов и пределы их изменения;

3. Коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих элементов;

4. Схему согласования линии;

5. Допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам;

6. Требования к источникам и цепям электрического питания;

7. Требования к помехоустойчивости и заземлению.

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

Логические условия определяют:

1. Структуру и состав унифицированного набора шин;

2. Набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их выполнения ля различных режимов функционирования;

3. Способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния;

4. 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).

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.

1.3 Классификация интерфейсов.

Существует множество вариантов классификации интерфейсов в зависимости от области применения, организации, аппаратной реализации и т.п.

В зависимости от способа соединения компонентов интерфейсы разделяются на:

1. Магистральные;

2. Радиальные;

3. Цепочечные;

4. Смешанные.

Магистральный способ соединения компонентов является основным и реализует магистральный принцип обмена. В этом случае все модули подключаются к единой магистрали, по которой передаются адресные и управляющие сигналы наряду с данными, предназначенными для обмена.

Радиальный способ в основном используется для расширения МПС и подключения внешних устройств (ВУ). Радиальный способ подразумевает наличие независимого и отдельного канала связи для обмена информации между отдельными устройствами. Как правило, у одного устройства существует несколько независимых радиальных каналов связи.

Цепочечный способ соединения компонентов реализуется в случае последовательного соединения устройств. В ряде случаев имеет место замыкания цепочки в кольцо. Такое соединение компонентов наиболее часто используется в системах последовательного арбитража и при построении локальных сетей.

Смешанные способы объединяют несколько однотипных или простых разнотипных способов соединения функциональных модулей МПС.

В зависимости от способа адресации интерфейсы разделяются на:

1. Логические;

2. Радиальные;

3. Логические двухступенчатые;

4. Географические;

5. Групповой.

При логической адресации выбор исполнителя, с которым будет совершаться обмен в текущем цикле, производится с помощью логического кода, устанавливаемого на шине адреса.

При радиальной адресации выбор устройства производится с помощью активации соответствующей сигнальной линии, идущей от задатчика к исполнителю.

При логической двухступенчатой адресации на первом этапе определяется модуль, с которым будет совершаться обмен. На втором этапе устанавливается адрес устройства внутри этого модуля.

При географическом методе адресации выборка соответствующего функционального модуля производится по, например, номеру разъема, в который установлена электронная плата.

В зависимости от типа магистрали интерфейсы разделяют на:

1. Зависимые от системы команд;

2. Независимые от системы команд.

В первом случае интерфейсы ориентированы на вполне определенную систему команд микропроцессора, тогда как во втором случае интерфейс не привязан ни к какой системе команд. Современные интерфейсы, как правило, являются машинонезависимыми.

В зависимости от области применения интерфейсы разделяются на интерфейсы:

Мультипроцессорных систем;
Системные;
Периферийного оборудования и внешних устройств;
Датчиков и исполнительных устройств;
Связные и аппаратуры передачи данных;
Распределенных МПС (локальных и глобальных сетей).

Современные интерфейсы МПС состоят, как правило, из набора магистралей, которые позволяют распараллелить процесс обработки информации. В состав этих интерфейсов входят высокопроизводительная параллельная и относительно медленная последовательная магистрали, объединяющие все основные функциональные модули. Помимо этого, в состав таких интерфейсов входят локальные магистрали, позволяющие существенно увеличить производительность МПС за счет переноса процедур ввода/вывода информации, обращения к памяти и т.п. на эти локальные магистрали.

Системные интерфейсы предназначены для объединения на единой магистрали различных функциональных модулей МПС. Как правило, к системной магистрали (интерфейсу) подключаются модули процессора, памяти, контроллеров ввода/вывода и ряда других.

Интерфейсы периферийного оборудования и внешних устройств служат для расширения МПС и подключения различных устройств через стандартные средства связи.

Обычно подключение датчиков и исполнительных устройств к МПС происходит либо через интерфейсы внешних устройств, либо через специализированные порты ввода/вывода.

Интерфейсы связные и аппаратуры передачи данных необходимы для подключения связного оборудования.

При объединении удаленных МПС используют сетевые интерфейсы как на ограниченном пространстве (локальные сети), так и для больших регионов.

В зависимости от конструктивного исполнения интерфейсы разделяются на:

Межблочные;
Межплатные;
Внутриплатные;

4. Внутрикорпусные.

В зависимости от функциональной организации интерфейсы разделяются по следующим признакам:

Структуре шин магистрали (шины адреса, данных, управления, синхронизации, прерывания, захвата, арбитража, питания, состояния);
Разрядность данных (64,32,24,16,8,1 бит);
Объему адресному пространсту (64 кбайт, 1 Мбайт, 4Гбайт и др.);
Режиму передачи данных (одно- или двух- направленные шины данных);
Совмещение шин (не- и мультиплексированные, последовательные магистрали);
Принципу обмена данными (синхронный и асинхронный способы обмена);
Режиму передачи данных (симплексный, дуплексный и полудуплексный режимы передачи данных);

В зависимости от типов соединительных устройств различают:

Внутренний интерфейс;
Интерфейс ввода/вывода;
Интерфейсы межмашинного обмена;

4. Интерфейс человек-машина.

В зависимости от принципа обмена информацией интерфейсы подразделяют на:

1. Параллельные;

2. Последовательные и

3. Параллельно-последовательные.

Термин "параллельный интерфейс" означает, что данные от компьютера к устройству передаются не побитно, а в виде байтов, т.е. для каждого разряда байта в кабеле интерфейса предназначен отдельный провод.

В зависимости от степени участия ЦП в управлении, различают:

style="text-align:justify">1. Режим сканирования (асинхронный);

2. Синхронный режим;

3. Прямой доступ к памяти.

2. Сравнение интерфейса USB 3.0 с предыдущими версиями интерфейса USB

2.1 Основные характеристики интерфейса USB.

USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Технические характеристики USB 1.0:

 два режима данных:

◦ режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с;

◦ режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с

 максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью — 5 м;

 максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 3 м;

 максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127;

 возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB

 напряжение питания для периферийных устройств — 5 В

 максимальный ток, потребляемый периферийным устройством — 500 мА

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed. Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

 Low-speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики);

 Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);

 Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации);

2.2 USB 3.0 — отличия от предыдущих версий.

USB 3.0 или USB Super Speed - новое поколение интерфейса USB.
Его ключевым отличием от предыдущей версии USB 2.0 (или High Speed) является возросшая с 480Мбит/сек до 5Гбит/cек максимальная теоретическая скорость передачи данных. Менее очевидный, но столь же принципиальный момент - с версией 3.0 USB не только разогнался, но и стал изохронным и полнодуплексным, т.е. обрёл возможность независимо передавать данные в обе стороны с максимальной скоростью. Более ранние версии USB были полудуплексными, и заявленная максимальная скорость достигалась только при передаче данных в одном направлении. Это усовершенствование крайне важно для будущих высокоскоростных USB 3.0 SSD и прочих устройств хранения данных, поскольку интерфейс не будет ограничивать потенциальные возможности устройства при одновременном выполнении операций чтения и записи.

На практике между контроллером и устройством достигается максимальная устоявшаяся скорость передачи данных около 380Мбайт/cек, что например, быстрее, чем фактическая скорость SATA-II (около 250Мбайт/cек), и более чем на порядок превышает аналогичный параметр для USB2.0 и IEEE1394.

Для того чтобы достичь таких характеристик, в USB 3.0 SuperSpeed впервые серьёзно была изменена конструкция разъёмов и кабелей с сохранением максимальной совместимости с предыдущими версиями стандарта там, где это возможно.

В дополнение к имеющимся в предыдущих версиях стандарта линиям питания, земли и дифференциальной пары для передачи данных добавлено ещё две дифференциальные пары для SuperSpeed-режима и отдельный экран, из-за чего сам кабель конструкцией и диаметром стал напоминать экранированную витую пару (STP) категории 6, а SuperSpeed часть USB 3.0 производительностью и использованными методами передачи информации очень напоминает PCI-E 2.0 1x во внешнем исполнении, к сожалению, являясь с ним полностью несовместимой.

Cхема USB 3.0 кабеля

Был добавлен новый тип разъёма - USB Powered B. В дополнение к уже имеющимся в USB 3.0 контактам там добавлены два принципиально новых - DPWR и DGND, которые обеспечивают возможность питания контроллера подключенным к нему устройством (а не наоборот, как было во всех других версиях интерфейса).

Усилено питание устройств - теперь USB3.0 контроллер может отдать до 900 мА вместо 500 мА у предыдущей версии интерфейса. Минимальная "порция" тока увеличена до 150мА, т.е. с одного контроллера может "кормиться" 6 устройств по 150мА или одно - съесть все 900. Естественно, возможны промежуточные варианты. Минимальное рабочее напряжение подключенного устройства снижено до 4 Вольт.

Усовершенствования коснулись не только физического уровня - в отличие от USB 2.0 HighSpeed, USB 3.0 SuperSpeed контроллер организует индивидуальный виртуальный канал до каждого устройства, а не транслирует все передаваемые данные всем подключенным к контроллеру устройствам (а те уже сами при этом разбираются, что из принятых пакетов данных действительно было им предназначено), это позволяет с некоторыми оговорками назвать USB 3.0 хаб - свитчем, коим он фактически и является.

Пожалуй, пока единственный заметный недостаток USB 3.0 - это снижение максимальной длины SuperSpeed кабеля до 3 метров, но, возможно, эта информация в дальнейшем будет уточнена, и по итогам массового внедрения эта цифра может непринципиально измениться как в большую, так и в меньшую сторону.Механический ресурс обычных полноразмерных USB 3.0 коннекторов рассчитан на полторы тысячи циклов "подключение-отключение", коннекторов повышенной прочности - на пять тысяч таких циклов, а коннектор USB 3.0 Micro наиболее "живучий" - он должен выдерживать до десяти тысяч подключений и отключений.

2.3 Типы разъёмов и совместимость.

SuperSpeed разъёмы в дополнение к четырём контактам, сохранённым на привычных местах для совместимости с предыдущими версиями стандарта, получили ещё пять специфичных контактов, располагающихся глубже внутри разъёмов и необходимых для работы в новом скоростном режиме. Однако полной обратной совместимости не достигнуто:

 USB 2.0 устройство с разъёмом USB типа A, например, "флешку", можно подключить к USB 3.0 контроллеру, и оно будет там работать.

 USB 2.0 устройство с разъёмом USB типа B, например, принтер, можно подключить к USB 3.0 контроллеру стандартным кабелем USB 2.0 A<->B, и оно будет там работать, разъёмы на кабеле просто не достанут до отвечающих за USB 3.0 контактов.

 USB 3.0 устройство с разъёмом USB типа A можно подключить к контроллеру USB 2.0, и оно должно там работать в режимах USB 2.0.

 USB 3.0 устройство не будет работать с контроллером USB 1.1.

Таблица совместимости.

Список литературы:

1. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат, 1985

Фишер-Криппс А.С. Интерфейсы измерительных систем. - Издательский Дом "Технологии", 2006