 |
Обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения
|
|
|
|
Содержание
Введение
1. Основные понятия, применяемые при описании интерфейсов
1.1 Классификация интерфейсов
2. Обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения
2.1 Интерфейс IDE
2.2 Интерфейс IEEE-1394 (FireWire, i. LINK)
2.3 Интерфейс HDMI 1.4
2.4 Интерфейс SATA
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в один комплекс различных блоков ВМ, устройств хранения и отображения информации, аппаратуры данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения - интерфейсы. Под интерфейсом понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов вычислительной системы. Интерфейс обеспечивает взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы.
Основным назначением интерфейса является унификация внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации прогрессивных методов проектирования функциональных элементов вычислительной системы.
Основные понятия, применяемые при описании интерфейсов
Вычислительная машина содержит помимо процессора (процессоров) и основной памяти, образующих ее ядро, многочисленные и разнообразные по выполняемым функциям и принципам действия периферийные устройства (ПУ), предназначенные для хранения больших бъемов информации (внешние запоминающие устройства) и для ввода в ЭВМ и вывода из нее информации, в том числе для ее регистрации и отображения (устройства ввода-вывода). Передача информации с периферийного устройства в ядро ЭВМ (память или процессор) называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода. Производительность и эффективность использования ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но в очень большой степени составом ее ПУ, их техническими данными и способом организации их совместной работы с ядром (процессором и основной памятью) ЭВМ. Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. Интерфейс - представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. [1] От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность вычислительной машины. При разработке систем ввода-вывода должны быть решены следующие проблемы.
|
|
|
Во-первых, должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией), в первую очередь с различным набором периферийных устройств, с тем чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройствами.
Во-вторых, для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.
В-третьих, необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечит независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.
В-четвертых, необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.). [2]
|
|
|
Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в единый комплекс различных блоков ЭВМ, устройств хранения и отображения информации, измерительных приборов, устройств для связи с объектом (УСО), аппаратуры передачи данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения - интерфейсы. Термин "интерфейс" обычно трактуется как синоним слова "сопряжения" и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других - устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы. Для акцентирования внимания на комплексном характере интерфейса используются термины "интерфейсная система", "программный интерфейс", "физический интерфейс", "аппаратный интерфейс", и т.п. [3]
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. [4]
Структурная схема интерфейса показана на рис 1.
Рисунок 1 - Структурная схема интерфейса: ФБ - функциональный блок; К - контроллер, функциональный блок; К - контроллер; УБ - управляющий блок; ИБ - интерфейсный блок
Средства интерфейса обеспечивают совместную работу независимых разнородных функциональных блоков системы. Условно ИБ можно разделить на две части: часть, обращенная к ФБ и учитывающая его специфику, и часть, поддерживающая взаимодействие с другими устройствами в рамках требований интерфейса. [5]
|
|
|
Качество стандарта на интерфейс может быть оценено соотношением, устанавливаемым между ограничениями на реализацию интерфейса и устройств сопряжения и возможностями варьирования тех или иных технических характеристик интерфейса с целью наиболее эффективного приспособления его к конкретной системе. Слишком жесткая регламентация условий совместимости ограничивает область применения интерфейса или же вызывает неоптимальное его использование. Однако при этом упрощается задача проектирования устройств сопряжения. В противоположном случае увеличивается вероятность несовместимости интерфейсного оборудования, разрабатываемого различными производителями.
Жесткая зависимость интерфейсов от архитектурных особенностей ЭВМ является одной из причин, препятствующих унификации многочисленных модификаций интерфейсов. Однако на определенном этапе развития технологии тенденция сохранения интерфейса снижает эффективность использования средств ВТ и возможность внедрения новых принципов построения ЭВМ и систем на их основе.
Опыт показывает, что унификация и стандартизация наиболее широко применяемых интерфейсов дают значительный экономический эффект. Этот эффект достигается в сфере производства (сокращение номенклатуры изделий, увеличение объемов партий изделий и пр.), при проектировании и эксплуатации систем. [6]
Современные темпы развития микроэлектронной технологии, а также тенденции и практика построения микропроцессорных систем в настоящее время определили следующие направления развития интерфейсов:
. Дальнейшее повышение уровня унификации интерфейсного оборудования и стандартизации условий совместимости существующих наиболее распространенных интерфейсов на основе обобщения опыта их широкого использования. Это совершенствование направлено на создание новых стандартных интерфейсов или на повышение уровня стандартизации существующих.
. Модернизация и расширение функциональных возможностей существующих интерфейсов без нарушения условий совместимости благодаря новейшим достижениям в микроэлектронной технологии и технологии разработки средств передачи информации. Основная цель этого направления-удлинение сроков морального старения стандартных интерфейсов и расширение области их применения.
|
|
|
. Создание принципиально новых интерфейсов и разработка требований на их унификацию и стандартизацию. Эта тенденция обусловлена в первую очередь разработкой систем с параллельной распределенной обработкой информации на основе качественно новых принципов организации вычислительного процесса, а также интегрированных распределенных систем. [7]
Классификация интерфейсов
В настоящее время не существует достаточно полной объективной классификации интерфейсов. Имеющиеся классификации основываются, как правило, на одном классификационном признаке или же строятся для одного класса интерфейсов. Определенным обобщением этих классификаций является стандарт на классификационные признаки интерфейсов (ГОСТ 26.016-81), включающий четыре признака классификации:
способ соединения компонентов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, смешанный);
При магистральном способе имеются коллективные шины, к которым подключены все устройства системы. Характерно, что сигналы шины доступны всем устройствам, но в каждый момент времени только два устройства могут обмениваться данными (1:
). Возможны также широковещательные операции (1: М).
В системе с радиальной структурой имеется центральное устройство (контроллер или концентратор), связанный с каждым из абонентов индивидуальной группой однонаправленных линий.
При цепочечной структуре каждое устройство связано не более чем с двумя другими. Частным случаем цепочечной структуры является кольцевая.
способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно - последовательный);
принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
режим обмена информацией (симплексный; полудуплексный; дуплексный и мультиплексный режим обмена). Для случая связи двух абонентов в симплексном режиме лишь один из двух абонентов может инициировать в любой момент времени передачу информации по интерфейсу Для случая связи двух абонентов в полудуплексном режиме любой абонент может начать передачу информации другому, если линия связи интерфейса при этом оказывается свободной. Для случая связи двух абонентов в дуплексном режиме каждый абонент может начать передачу информации другому в произвольный момент времени. В случае связи нескольких абонентов в мультиплексном режиме в каждый момент времени связь может быть осуществлена между парой абонентов в любом, но единственном направлении от одного из абонентов к другому.
|
|
|
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:
области распространения (функциональному назначению);
логической и функциональной организации;
физической реализации.
В соответствии с первой совокупностью признаков интерфейсы можно разделить на следующие основные классы:
машинные (или системные);
периферийного оборудования;
мульти микропроцессорных систем;
распределенных ВС (вычислительных локальных сетей, распределенных систем управления).
Машинные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ, ВК, ВС, т.е. непосредственно для их построения и связи с внешней средой.
Интерфейсы периферийного оборудования выполняют функции сопряжения процессоров, контроллеров с УВВ, измерительными приборами, исполнительными механизмами, аппаратурой передачи данных (АПД) и внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Интерфейсы периферийного оборудования представляют самый большой класс систем сопряжения, что объясняется широкой номенклатурой и разнообразием периферийного оборудования. По своему функциональному назначению эти интерфейсы могут быть разделены на группы интерфейсов радиальной структуры (обеспечивающие схему сопряжения "точка-точка") и магистральной структуры (обеспечивающие схему "многоточечного" подключения).
Системы сопряжения первой группы составляют в основном так называемые малые интерфейсы, применяемые для сопряжения исполнительных механизмов ввода-вывода с контроллерами. К этим интерфейсам относятся: системы сопряжения с параллельной передачей информации, предназначенные для подключения стандартной периферии, системы сопряжения для подключения устройств, размещенных на большом удалении друг от друга.
Интерфейсы второй группы используются как самостоятельно, так и в качестве системотехнического дополнения, расширяющего функциональные возможности ЭВМ на уровне связи с объектом управления. К ним относятся магистральные интерфейсы программно-модульных систем типов IEC 625-1. Эти интерфейсы обеспечивают сопряжение программируемых контроллеров и ЭВМ с широким спектром цифровых измерительных приборов, преобразователей информации, генераторов, датчиков, пультов оператора. В вычислительных системах к такого рода интерфейсам относятся SCSI, USB.
Интерфейсы мульти микропроцессорных систем представляют собой в основном магистральные системы сопряжения, ориентированные на объединение в единый комплекс нескольких процессоров, модулей оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), контроллеров
ВЗУ, ограниченно размещенных в пространстве. В группу интерфейсов мульти микропроцессорных систем входят в основном внутри блочные, процеcсорно-независимые системы сопряжения. Характерным их отличием от обычных магистральных интерфейсов является техническая реализация функций селекции и координации, что позволяет подключать к ним один или несколько процессоров как обычные УВВ. Этот класс интерфейсов отличают высокая пропускная способность и минимальное время доступа процессора к общей ОЗУ.
Данный класс систем сопряжения может быть разделен на две крупные группы в соответствии со структурой шин адреса и данных: с раздельными и мультиплексными шинами. Как правило, эти интерфейсы представляют собой внутри блочную систему сопряжения магистральной структуры с высокой пропускной способностью.
Интерфейсы распределенных ВС предназначены для интеграции средств обработки информации, размещенных на значительном расстоянии и ориентированы на использование в системах различного функционального назначения. Обычно это системы сопряжения с бит - последовательной передачей информации магистральной или кольцевой структуры. Этот класс интерфейсов в зависимости от назначения разделяется на группы интерфейсов:
локальных сетей (с длиной магистрали от десятков метров до нескольких километров);
распределенных систем управления;
территориально и географически распределенных сетей ЭВМ (с длиной линии более десяти километров).
По конструктивному исполнению интерфейс могут быть разделены на четыре категории:
межблочные, обеспечивающие взаимодействие компонентов на уровне прибора, автономного устройства, блока, стойки, шкафа:
внутри блочные, обеспечивающие взаимодействие на уровне плат, субблоков;
внутри платные, обеспечивающие взаимосвязь между интегральными схемами (СИС, БИС, СБИС) на печатной плате;
внутри корпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов внутри СБИС.
Межблочное сопряжение реализуется на уровне следующих конструктивных средств:
коаксиального и оптоволоконного кабеля; многожильного плоского кабеля (шлейфа); многожильного кабеля на основе витой пары проводов. Внутри блочное сопряжение печатных плат, субблоков выполняется печатным способом или накруткой витой парой проводов внутри блока, стойки, шкафа. Ряд интерфейсов может быть реализован комбинацией внутри блочного и межблочного исполнений. Внутри платное сопряжение реализуется печатным способом, внутри корпусное - методами микроэлектронной технологии. [8]
интерфейс компьютерная техника
Обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения
Прежде чем приступить к обзору интерфейсов, узнаем, какие виды современных интерфейсов бывают:
) Командный интерфейс. Командный интерфейс называется так по тому, что в этом виде интерфейса человек подает "команды" компьютеру, а компьютер их выполняет и выдает результат человеку. Командный интерфейс реализован в виде пакетной технологии и технологии командной строки.
) WIMP - интерфейс (Window - окно, Image - образ, Menu - меню, Pointer - указатель). Характерной особенностью этого вида интерфейса является то, что диалог с пользователем ведется не с помощью команд, а с помощью графических образов - меню, окон, других элементов. Хотя и в этом интерфейсе подаются команды машине, но это делается "опосредственно", через графические образы. Этот вид интерфейса реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и "чистый" WIMP - интерфейс.
) SILK - интерфейс (Speech - речь, Image - образ, Language - язык, Knowlege - знание). Этот вид интерфейса наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. В рамках этого интерфейса идет обычный "разговор" человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, и поэтому его применяют в основном для военных целей. [9]
Интерфейс IDE
Основной интерфейс, используемый для подключения жесткого диска к современному PC, называется IDE (Integrated Drive Electronics). Фактически он представляет собой связь между системной платой и электроникой или контроллером, встроенными в накопитель. Этот интерфейс постоянно развивается - на сегодняшний день создано несколько модификаций. Интерфейс IDE, широко используемый в запоминающих устройствах современных компьютеров, разрабатывался как интерфейс жесткого диска. Однако сейчас он используется для поддержки не только жестких дисков, но и многих других устройств, например накопителей на магнитной ленте, CD/DVD-ROM, дисководов Zip и др. В этой главе подробно обсуждается функционирование интерфейса IDE.
IDE - это обобщенный термин, который может быть отнесен практически к любому жесткому диску со встроенным контроллером; названия ATA и Serial ATA относятся к определенным типам интерфейсов IDE. Поскольку АТА является наиболее распространенной формой IDE, эти термины довольно часто используются поочередно, что с технической точки зрения неправильно. То, что пользователи обычно называют IDE, правильнее называть интерфейсом ATA [10]
Основная функция контроллера накопителя, или интерфейса, - передача данных из системы в накопитель и обратно. От типа интерфейса зависит, с какой скоростью будут осуществляться эти операции, что во многом определяет общую производительность компьютера. Приводимые в технической литературе статистические данные не всегда точно отражают истинное положение дел.
Интерфейс IDE ATA является 16-разрядным параллельным интерфейсом, т.е. по кабелю интерфейса одновременно передается 16 бит. В начале 2001 года был официально представлен новый интерфейс, получивший название Serial ATA. Serial ATA (SATA) единовременно передает по кабелю не более одного бита данных, что позволяет значительно уменьшить сечение и длину используемого кабеля за счет повышения частоты передачи данных. SATA представляет со бой совершенно новую конструкцию физического интерфейса, сохранившую при этом программную совместимость с параллельным интерфейсом ATA. Название АТА, встречающееся на страницах этой книги, относится к параллельной версии интерфейса, а название SATA - к интерфейсу Serial ATA. Поскольку в накопителе IDE контроллер встроенный, его можно подключать непосредственно к разъему на плате адаптера или на системной плате. Это существенно упрощает установку жесткого диска, так как не нужно подсоединять отдельные кабели для подачи питания, сигналов управления и т.п. Кроме того, при объединении контроллера и жесткого диска сокращается общее количество элементов в устройстве, уменьшается длина соединительных проводов, а в результате повышается надежность, устойчивость к шумам и быстродействие системы по сравнению с тем, когда автономный контроллер подключается к жесткому диску с помощью длинных кабелей.
Объединяя контроллер (в том числе и входящий в его состав шифратор/дешифратор) с жестким диском, удается существенно повысить надежность воспроизведения данных по сравнению с системами, в которых используются автономные контроллеры. Происходит это потому, что кодирование данных и их преобразование из цифровой формы в аналоговую (и наоборот) осуществляется непосредственно в жестком диске при меньшем уровне внешних помех. В результате аналоговые сигналы, временные параметры которых весьма критичны, не передаются по плоским кабелям, где они могли бы “набрать” помех; кроме того, при пере даче сигналов по кабелям могут возникнуть непредсказуемые задержки их распространения. В конечном счете совмещение контроллера и жесткого диска в едином блоке позволило повысить тактовую частоту шифратора/дешифратора, плотность размещения данных на носи теле и общее быстродействие системы.
Объединение контроллера и жесткого диска освободило разработчиков от необходимости строго следовать стандартам, что было неизбежно при использовании прежних интерфейсов. Взаимно согласованная и “подогнанная” пара “жесткий диск-контроллер" обладает гораздо большим быстродействием по сравнению с прежними комбинациями автономных устройств. Разъем IDE на системной плате во многих компьютерах представляет собой просто “усеченный” разъем шины расширения. В стандартном варианте ATA IDE используются разъемы с 40 контактами из возможных 98, имеющихся в разъеме 16-разрядной шины ISA. Из всего набора сигнальных линий шины к разъему IDE подведены только те, которые необходимы для работы стандартного контроллера жесткого диска компьютеров XT и AT. На пример, для контроллера жесткого диска в компьютере AT нужна линия IRQ 14, поэтому на разъем IDE системной платы AT выведена только эта линия IRQ. На разъем системной платы компьютера XT выведена только линия IRQ 5, к которой и подключен контроллер. Обратите внимание, что даже если интерфейс ATA подключен к микросхеме South Bridge и работает на частоте шины PCI, то все равно разводка и назначение контактов не изменяются.
Когда говорят о накопителях IDE, то обычно имеют в виду вариант ATA IDE, получивший наибольшее распространение. Однако существуют и другие разновидности накопителей IDE для других шин. Например, в некоторых компьютерах PS/2 устанавливаются жесткие диски, предназначенные для работы с шиной MCA и подключаемые непосредственно к разъ ему расширения (через адаптер). Существуют также накопители IDE, предназначенные для 8 - разрядной шины ISA, но они не получили широкого распространения. В большинстве IBM - совместимых компьютеров с шинами ISA и EISA устанавливаются 16-разрядные накопители ATA IDE. На сегодняшний день интерфейс ATA IDE является самым распространенным.
Главное достоинство накопителей IDE - их дешевизна. Поскольку для них не нужен от дельный контроллер, количество кабелей и разъемов, необходимых для подключения жестко го диска, оказывается существенно меньшим, чем в стандартном варианте жесткого диска с автономным контроллером. А это не может не сказаться на стоимости таких устройств. Кроме того, эти устройства более надежны, поскольку контроллер встроен в жесткий диск. В результате шифратор/дешифратор расположен в непосредственной близости от носителя. И так как аналоговый сигнал проходит очень короткую “дистанцию”, он менее чувствителен к внешним шумам и помехам. [11]
Еще одно достоинство накопителей IDE - быстродействие. Но, как это ни странно, к данному классу относятся не только жесткие диски с максимальной производительностью, но и едва ли не самые “медленные” устройства. Это иллюстрация того, что многое зависит от конкретной реализации одной и той же технической идеи. Дать общую оценку производительности всех дисков IDE невозможно, поскольку каждая модель уникальна. Однако высококачественные устройства обладают быстродействием, равным или превосходящим аналогичный параметр для жестких дисков прочих типов (правда, при работе в автономном компьютере и под управлением однозадачной операционной системы).
Существует три основные разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодействие с тремя стандартными шинами:
Serial AT Attachment (SATA);
параллельный AT Attachment (ATA) IDE (16-разрядная шина ISA);IDE (8-разрядная шина ISA);IDE (16-разрядная шина MCA).
В настоящее время из всех перечисленных типов используются только версии ATA. Уже появились более быстрые и мощные версии интерфейсов ATA и Serial ATA; в частности, улучшенные варианты ATA получили название ATA-2 и далее. Иногда эти версии называют также EIDE (Enhanced IDE), Fast-ATA, Ultra-ATA или Ultra-DMA. Несмотря на все возможности последней версии ATA-6, в целом интерфейс Serial ATA демонстрирует большую производительность и функциональность. В большинстве новых компьютеров разъем ATA установлен непосредственно на систем ной плате. Если его нет, то для подключения к компьютеру накопителя ATA IDE можно использовать дополнительную плату адаптера. Обычно на такой переходной плате нет ничего, кроме двух разъемов (98-контактного печатного разъема шины и 40-контактного разъема IDE) и набора проводников. Эти платы не являются контроллерами, так как последние уже встроены в жесткие диски. Правда, на некоторых из них монтируются дополнительные устройства, например специализированная ROM BIOS или кэш-память. [12]
|
|
|
