Интерфейсы и интерфейсные БИС.

В процессе работы микропроцессорной системы постоянно происходит обмен информацией между различными устройствами системы с помощью так называемого интерфейса. «Интерфейс» очень широкое понятие. В зависимости от области знаний под интерфейсом могут понимать процесс диалога человека с компьютером, программно-аппаратные средства для этого диалога; различают понятия «дружественного интерфейса», «пиктографического интерфейса», «системного интерфейса» и т.д. В микропроцессорных системах под интерфейсом понимают совокупность аппаратных, программных и конструкторских средств, обеспечивающих информационный обмен между устройствами системы.

Это определение включает в себя три составляющие: аппаратную, программную и конструкторскую. К аппаратной составляющей интерфейса относят отдельные узлы микропроцессорной системы, через которые осуществляется обмен. К программной составляющей относят строгий порядок, алгоритм взаимодействия устройств, реализованный в виде специальных программ. Порядок следования информационных и служебных сигналов в процессе обмена информацией называют протоколом обмена. Конструкторскую составляющую образуют линии связи, объединенные в шины, по которым осуществляется передача информации. Каждая шина обеспечивает передачу какого-то определенного вида информации например адреса, данных или управляющих сигналов.

Параллельный и последовательный способы передачи информации. Приемники и источники информации могут находиться как в непосредственной близости, так и на значительном удалении. В зависимости от удаленности источника и приемника информации в микропроцессорных системах могут использоваться либо параллельный способ передачи информации (параллельный интерфейс), либо последовательный (последовательный интерфейс). При параллельной передаче информация передается по шинам данных (магистралям), состоящим из n параллельных проводников. Передача информации осуществляется целыми машинными словами, причем все разряды слова данных передаются одновременно. Такой способ передачи информации может использоваться, если длина линий связи между приемником и источником обычно не превышает полутора, а с применением специальных магистральных приемопередатчиков — нескольких метров. Это связано с тем, что на частотах, с которыми осуществляется передача информации (десятки мегагерц), проявляются волновые свойства электрических сигналов и проводников. В результате сигналы, передаваемые по разным проводникам шины, доходят до источника не одновременно, происходит «размывание» сигнала, и приемники такой информации становятся неприемлемо сложными и дорогими.

При последовательной передаче информация передается по одной линии связи разряд за разрядом. Для этого необходимо преобразование данных из параллельного кода в последовательный (при передаче) и обратное преобразование из последовательного кода в параллельный (при приеме). Расстояние, на которое может передаваться информация последовательным способом, уже не ограничено волновыми свойствами сигналов и проводников. Оно определяется лишь мощностью передатчика. В частности, во всех информационных сетях передача осуществляется в последовательном коде.

Прием и передача данных в устройствах микропроцессорной системы осуществляется через специальные буферные узлы, называемые портами. Порты могут быть параллельными и последовательными. Микропроцессоры, предназначенные для использования в системах управления, обычно имеют оба типа портов.

Синхронный и асинхронный способы обмена. Существует два основных способа обмена: синхронный и асинхронный. При синхронном обмене темп выдачи информации определяет источник, который сопровождает выдачу импульсами синхронизации. Приемник информации при этом должен принимать данные в темпе, задаваемом источником. Если приемник не успел принять информацию, она будет потеряна, так как между источником и приемником нет обратной связи. Поэтому темп передачи данных должен учитывать быстродействие приемника и рассчитывается на наихудший случай.

В асинхронном способе обмена между источником и приемником существует обратная связь. В основе этого способа лежит метод квитирования. Сущность метода в том, что источник при каждой посылке данных должен получать от приемника подтверждение о том, что данные приняты, т.е. своеобразную «квитанцию». Сигналы, обеспечивающие такой диалог между источником и приемником, называются сигналами квитирования. При посылке данных источник сообщает об этом приемнику сигналом «Данные выданы». Приемник, получив этот сигнал, считывает слово данных и выдает приемнику сигнал «Данные приняты». Только после получения этого сигнала источник приступает к посылке следующего слова данных. При таком обмене интервал времени приема — передачи данных будет переменным в зависимости от быстродействия источника и приемника, длины линий связи.

Радиальная и магистральная структура интерфейсов. В интерфейсах с радиальной структурой каждое из устройств системы связано с центральным устройством, управляющим обменом (концентратором), через индивидуальную группу шин с одинаковым составом линий для каждого устройства, т.е. каждому устройству выделяется собственный набор шин. Концентратор получает заявки от устройств и соединяет их между собой. Если заявки поступают одновременно от нескольких устройств, концентратор определяет очередность обмена. Радиальные интерфейсы применяются для связи с удаленными внешними устройствами.

Если интерфейс одним и тем же набором шин обеспечивает работу множества устройств микропроцессорной системы во главе с микропроцессором, его называют системным, а шины — системными. Набор системных шин, обеспечивающих работу интерфейса, называют магистралью. В интерфейсах с магистральной структурой все шины являются шинами коллективного пользования и к ним подключены все устройства системы. В микропроцессорных системах обычно используется магистральный интерфейс. Для реализации обмена к шинам одновременно может подключаться только два устройства — приемник и источник. Порядок использования общей магистрали для организации обмена между множеством различных устройств определяется контроллером магистрали.

Интерфейсы и интерфейсные БИС. Как только микропроцессоры стали использоваться в качестве процессоров ЭВМ, возникла задача разработки БИС для реализации интерфейсных функций. Первые микроЭВМ были восьмиразрядными, работавшими с невысокой тактовой частотой, и интерфейсы, обеспечивающие работу микропроцессорных систем, обладали соответствующими техническими характеристиками. Эти интерфейсы были, как правило, параллельными, магистральными, асинхронными, с 8-разрядной шиной данных и 16-разрядной шиной адреса. В некоторых интерфейсах была мультиплексная шина адреса/данных.

С ростом разрядности и быстродействия микропроцессоров изменялись и соответствующие характеристики интерфейсов. С появлением ПЭВМ IBM PC/AT стал применяться интерфейс (шина) ISA, шина EISA (extended — расширенная) стала применяться с появлением микропроцессоров 80386. В настоящее время наиболее перспективной является шина PCI, хотя на материнских платах ПЭВМ обеспечивается возможность работы и с шиной EISA. Тактовая частота современных системных шин составляет сотни МГц.

Первые интерфейсные БИС были ориентированы на работу с 8-разрядной шиной данных и 16-разрядной шиной адреса. Простейшими микросхемами были шинные формирователи и буферные регистры (порты ввода/вывода). Более сложные операции обслуживались адаптерами и контроллерами. Каждое из таких устройств выполнялось в виде отдельной БИС. Сейчас уровень интеграции ИС позволяет в одном кристалле объединить целый ряд устройств, выполняющих различные интерфейсные функции. Однако в структурном плане современные интерфейсные ИС до сих базируются на «простых» ранее разработанных ИС.

В маркировке первых интерфейсных БИС первыми были цифры 82, после которых стояли еще две цифры, обозначающие вид конкретной схемы. При описании функциональных возможностей и структуры современных интерфейсных БИС обычно идет перечисление ранее разработанных БИС семейства 82ХХ, структурно входящих в современную БИС. Например, о современном периферийном контроллере 82С206 сказано: содержит две ИС 8259, две ИС 8237, одну ИС 8254 и др. Более того, даже в библиотеках схемных решений новейших СБИС программируемой логики присутствуют структуры традиционных БИС 82ХХ.