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.

Операции контроля направлены на обеспечение надежности функцио­нирования

интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процес­сах асинхронного

взаимодействия возможно возникновение так называе­мых тупиковых ситуаций,

приводящих к искажениям кодовых комби­наций передаваемых данных. Поэтому в

операции контроля входят раз­решение тупиковых ситуаций асинхронного процесса

взаимодействия и повышение достоверности передаваемых данных. Контроль

тупиковых ситуаций взаимодействия основывается на измерении фиксированного

интервала времени, в течение которого должно поступать ожидаемое асин­хронное

событие. Если за контролируемый интервал времени событие не поступает, то

фиксируется неисправность. Операция контроля тупико­вых ситуаций получила

название "тайм-аут".

Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов, построенных

на известных принципах избыточного кодирования инфор­мации (циклические коды,

код Хеминга, контроль кодов на четность и др.).

В целях повышения надежности управления и эффективности исполь­зования

составных элементов системы необходима передача функции координации между

функциональными устройствами. Эта операция пере­дачи управления характерна

для интерфейсов с децентрализованной струк­турой управления.

Повышение надежности достигается резервированием управления (при отключении

питания или отказе интерфейсного модуля, выполняю­щего функции управления

интерфейсом).

Повышение эффективности использования оборудования системы достигается

исключением дублирования дорогостоящих устройств путем доступа к ним с

разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ.

Информационный канал интерфейса предназначен для реализации функции обмена и

преобразования информации.

Основными процедурами функции обмена является прием и выдача информации

(данных, состояния, команд, адресов) регистрами состав­ных устройств системы.

Основные процедуры функции преобразования следующие: преобразование

последовательного кода в параллельный и наоборот; перекодирование информации;

дешифрация команд, адресов; логические действия над содержимым регистра

состояния.

Приборные интерфейсы

Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа построения, что

привело к необходимости разработки правил, регламен­тирующих основные

требования к совместимости этих блоков. Данный принцип впервые был применен в

области ядерно-химических измерений, где требуется сложная аппаратура с

высокой степенью автоматизации и активным использованием ЭВМ для контроля,

управления, сбора и пер­вичной обработки данных. Поэтому именно в этой

области впервые про­ведена стандартизация на правила сопряжения блоков.

В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзистор­ными схемами в

1966 г. был принят стандарт NIM (Nuclear Instrument Module). В нем

установлены механические и электрические требования к блокам. Этот стандарт

впоследствии получил распространение в странах Западной Европы. Указанный

стандарт позволил осуществить обмен дан­ными модульных блоков с ЭВМ. Следует

отметить, что такие понятия, как канал передачи данных и интерфейс, процесс

обмена данными и др., были перенесены из вычислительной в измерительную

технику.

Реализация принципов программного управления работой ИИС при­вела к развитию

приборных систем; разработки интерфейсов для них появились на рубеже 60 - 70-

х годов. Приборные интерфейсы служат для компоновки различных комплексов из

стандартных измерительных приборов, устройств ввода-вывода и управляющих

устройств.

Пример, фирма "Philips" разработала систему сопряжения Partyline - System,

предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью стандартного

кабеля приборы последовательно соединяются друг с дру­гом (в произвольном

порядке) и с ЭВМ. Для этого в каждом приборе имеются два разъема, соединенные

между собой одноименными контак­тами. Каждый прибор содержит специальное

устройство согласования из­мерительного оборудования с интерфейсом.

Построение интерфейса осуществляется по магистральному принци­пу для передачи

цифровых сигналов. Информация передается по шести шинам: адресной (4 линии),

измерительной (5 линий), управления (4 линии), а также по шинам

синхронизации, диагностики операций и пере­дачи команд печати (все по одной

линии). Стандартный кабель содержит шесть соединительных линий. Каждому

прибору (измерительному блоку) присваивается свой адрес, представленный

четырьмя разрядами двоичного кода. Передача данных производится в

параллельно-последовательном ви­де (в двоичном коде). Под действием

управляющих сигналов выходная информация последовательно передается с декад

на линии интерфейса (измерительную шину). По этим же линиям передается

кодированная информация, а также полярность измеряемых величин, режим работы

и др.

Принцип работы приборного интерфейса следующий. При появлении информации

от источника к приемнику работа обоих приборов координи­руется сигналами по

линиям шины синхронизации. При этом цикл переда­чи информации состоит из

четырех фаз:

· источник выставляет информационный байт;

· источник выставляет сигналы на шине синхронизации;

· приемник принимает информацию,

· приемник подготавливается к приему нового байта информации.

Приборный интерфейс имеет следующие ограничения: число прибо­ров не более 15,

максимальная допустимая длина кабеля связи — 20 м, максимальная скорость

передачи по магистрали - 1 Мбайт/с.

Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интег­ральных схем

ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более 0,8 В). Нагрузкой

каждой сигнальной линии является внутреннее сопро­тивление каждого прибора не

более 3 кОм, подключенное к шине + 5 В, и резистор 6,2 кОм, подключенный к

шине "земля" схемы. Кодирование информации, как следует из конструкции

магистрали, ведется по байтам. Схемы интерфейса программно-управляемых

приборов выполняют­ся в двух вариантах:

в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора как его

составная часть, с установкой стандартного разъема на задней панели прибора;

этот вариант применяется преимущественно в новых приборах, выпускаемых по

стандарту МЭК;

в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых к серийно

выпускаемым или находящимся в обращении цифровым при­борам и устройствам; эти

модули по существу являются адаптерами, т. е. переходными устройствами между

выходом прибора и стандартным входом в магистраль приборного интерфейса.

Приборный интерфейс широко применяется как в отечественной

промышленности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС для

автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых приборов, не

подготовленных для совместной работы, приборный интер­фейс позволяет

создавать ИС путем использования относительно неслож­ных устройств сопряжения

— интерфейсных плат и микроЭВМ в качестве контроллера системы.

Машинные интерфейсы

Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объеди­нения составных

блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития машинных интерфейсов вызвана

необходимостью значительного увели­чения процента операций ввода-вывода,

номенклатуры и числа перифе­рийных устройств. В связи с этим существенно

возросли требова­ния к унификации и стандартизации интерфейсов.

Характерной особенностью машинных интерфейсов является необ­ходимость их

функционирования в нескольких режимах взаимодействия, влияющих на

функциональный состав систем шин. Основными режима­ми взаимодействия являются

ввод-вывод по программному каналу и по каналу прямого доступа в память.

Заключение

Повышение производительности труда человека – это заслуга механизации. Уже

долгое время она облегчает задачи человека, но не может полностью освободить

его от ручного труда или присутствия на рабочем месте. Такие вещи, как оценка

результатов контроля и решения вопроса о дальнейшей судьбе проверенной детали

- забраковать ее или отправить на доработку, были только в компетенции

человека, что требовало затрат умственного труда и относятся к сфере

управления производством. Очевидно, эти функции тоже можно упразднить,

заменив человека механизмами способными самостоятельно решать данные

проблемы. Переложение функций управления процессом с человека на

автоматические устройства стало началом нового времени – эры автоматизации.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось

предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в

промышленности, в научных исследованиях, в быту. Вершиной автоматизации стало

появление автоматизированных измерительных и диагностических комплексов,

которые позволили полностью заменить человека, как важного элемента любого

производственного или научно-исследовательского процесса. Опираясь на

возможности таких систем и комплексов, человечество поднялось на еще одну

ступень в бесконечном стремлении взойти на вершину технического совершенства.

Список литературы.

1. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и

алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат, 1985

2. Кузьмичев Д. А., Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация

экспериментальных исследований. - М.: Наука, 1983.

3. Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г.

И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и

систем управления,1981.

4. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.

5. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие

для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5