Аппаратные интерфейсы


СОДЕРЖАНИЕ:

Внутренние и внешние интерфейсы

Внутренние интерфейсы предназначены для подключения компонентов, расположенных внутри системного блока. Все контроллеры и шины внутренних интерфейсов размещаются на системной плате. К важнейшим внутренним интерфейсам относятся:

  • системная шина с разъемом процессора;
  • шина памяти с разъемами модулей памяти;
  • шина и слот видеокарты;
  • шины и слоты плат расширения;
  • шины и порты накопителей;
  • шина и разъемы электропитания;
  • линии и порты интерфейса управления питанием;
  • порты и панели индикации;
  • шины и порты управления системой.

Внешние интерфейсы предназначены для подключения компонентов и периферии, расположенных вне системного блока. Среди внешних интерфейсов следует особо выделить группу, обслуживающую обязательные компоненты компьютерной системы: монитор, клавиатуру, мышь. Прочие внешние интерфейсы обслуживают дополнительные внешние устройства, объединяемые понятием «периферия». К типовым внешним интерфейсам относятся:

  • порты видеокарты для подключения мониторов и телевизора;
  • порты PS/2 для клавиатуры и мыши;
  • шина и порты USB;
  • последовательные порты СОМ;
  • параллельные порты LPT;
  • последовательный порт FireWire;
  • сетевой порт RJ45;
  • порт модема RJ11 для телефонной линии;
  • порты аудиоинтерфейса.

На работающем компьютере НЕЛЬЗЯ подключать, поправлять разъем, отключать устройства на внешних портах PS/2, СОМ, LРТ, внутренних портах АСР, РСI, IDE (АТА), FDD, а также процессор, модули памяти, микросхему BIOS.

Теоретически «горячее» подключение портов РS/2, СОМ, LРТ безопасно. Опасно втыкать разъемы в том случае, когда устройства подключены к питанию, но не имеют общей земли. Тогда разность потенциалов у них на корпусе составит до сотни вольт. Если первыми соединятся контакты сигнальных линий, для устройств это станет смертельно. При использовании фирменных кабелей с заземлением вероятность пробоя ничтожно мала. Но все же не равна нулю.

На работающем компьютере МОЖНО подключать, поправлять разъем, отключать устройства на внешних портах USB, FireWire (IEEE1394), Ethernet; (RJ45), телефонной линии (RJ11) и внутренних портах РСI Express, Serial АТА.

Программные интерфейсы

Программный интерфейс — система унифицированных связей, предназначенных для обмена информацией между компонентами вычислительной системы. Программный интерфейс задает набор необходимых процедур, их параметров и способов обращения.

Программный интерфейс — функциональность, которую некоторый программный компонент предоставляет другим программным компонентам. Можно различать два вида такой функциональности: та, что используется при создании прикладных программ, и та, что используется при создании системных компонентов. Первая обычно называется интерфейсом программирования приложений, вторая может называться интерфейсом программирования компонентов операционной системы или интерфейсом системного программирования. Кроме того, программные интерфейсы могут быть разно уровневыми, относясь либо к уровню программного кода, либо к уровню кода машинного.

Интерфейс прикладного программирования англ. Application Programming Interface, API — набор готовых констант, структур и функций, используемых при программировании пользовательских приложений и обеспечивающих правильное взаимодействие между пользовательским приложением и операционной системой.

Программные компоненты, необходимые для функционирования приложения:

  • а) операционная система — Windows98 и выше;
  • б) «1С: Предприятие 8.2»;
  • в) аппаратный ключ HASP.

HASP — мультиплатформенная аппаратно-программная система защиты программ и данных от нелегального использования и несанкционированного распространения разработанная компанией Aladdin Knowledge Systems Ltd. По утверждению www.softkey.info на 2005 год являлся одним из самых широкоприменяемых аппаратных средств для защиты ПО.

Защита HASP включает в себя:

  • а) электронный ключ HASP;
  • б) специальное программное обеспечение для «привязки» к электронному ключу, защиты приложений и для кодирования данных;
  • в) схемы и методы защиты программ и данных, обнаружения и борьбы с отладчиками, контроля целостности программного кода и данных.

HASP поддерживает большинство платформ, операционных систем и обеспечивает разработчикам широкий набор средств для защиты программного обеспечения.

Электронные ключи HASP выпускаются в различных исполнениях:

  • а) USB-брелок;
  • б) LPT-ключ с возможностью «прозрачного» подключения других ключей и устройств;
  • в) PCMCIA-карта;
  • г) внутренняя плата стандарта PCI и ISA.

Существуют средства обхода аппаратной защиты — битхак (например Sable) или программное эмулирование как самого ключа, так и, например, USB-шины с виртуальным ключом, их используют не только нелегальные пользователи, но и легальные — в ситуации, когда использование аппаратной защиты невозможно или нежелательно. В любом случае использование методов обхода защиты нелегально с точки зрения лицензионных соглашений и карается уголовной отвественностью в соответствии с местным законодательством.

Электронный ключ (также аппаратный ключ, иногда донгл от англ. dongle) — аппаратное средство, предназначенное для защиты программного обеспечения (ПО) и данных от копирования, нелегального использования и несанкционированного распространения.

Электронный ключ — небольшое по размерам аппаратное устройство.

Основой данной технологии является специализированная микросхема ASIC, либо специализированный защищённый микроконтроллер, имеющие уникальные для каждого ключа алгоритмы работы. Донглы также имеют защищённую энергонезависимую память небольшого объёма, более сложные устройства могут иметь встроенный криптопроцессор (для аппаратной реализации шифрующих алгоритмов), часы реального времени. Аппаратные ключи могут иметь различные форм-факторы, но чаще всего они подключаются к компьютеру через USB-, LPT- или PCMCIA-интерфейсы.

Принцип действия электронных ключей таков. Ключ присоединяется к определённому интерфейсу компьютера. Далее защищённая программа через специальный драйвер отправляет ему информацию, которая обрабатывается в соответствии с заданным алгоритмом и возвращается обратно. Если ответ ключа правильный, то программа продолжает свою работу. В противном случае она может выполнять любые действия, заданные разработчиками — например, переключаться в демонстрационный режим, блокируя доступ к определённым функциям.

Для обеспечения безопасности сетевого ПО служат специальные электронные ключи. Для защиты и лицензирования (ограничения числа работающих в сети копий программы) сетевого продукта достаточно одного ключа на всю локальную сеть. Ключ устанавливается на любой рабочей станции или сервере сети.

Многие компании, работающие в области защиты информации, предлагают свой взгляд на то, каким должен быть электронный ключ. На российском рынке наиболее известны следующие линейки продуктов (в алфавитном порядке): Guardant от компании «Актив», HASP от Aladdin, LOCK от Astroma Ltd., Rockey от Feitian, SenseLock от Seculab, Sentinel от SafeNet и др.

Технология защиты от несанкционированного использования ПО построена на реализации запросов из исполняемого файла или динамической библиотеки к ключу с последующим получением ответа (и, если предусмотрено, анализом этого ответа). Вот некоторые характерные запросы:

  • а) проверка наличия подключения ключа;
  • б) считывание с ключа необходимых программе данных в качестве параметра запуска;
  • в) запрос на расшифрование данных или исполняемого кода, необходимых для работы программы (предварительно разработчик защиты шифрует часть кода программы и, понятно, непосредственное выполнение такого зашифрованного кода приводит к ошибке);
  • г) проверка целостности исполняемого кода путём сравнения его текущей контрольной суммы с оригинальной контрольной суммой, считываемой с ключа;
  • д) запрос к встроенным в ключ часам реального времени (при их наличии) и т. д.

Стоит отметить, что некоторые современные ключи (ключи Senselock от Seculab, Rockey6 Smart от Feitian) позволяют разработчику хранить отдельные части кода приложения (например, недетерминированные специфические алгоритмы разработчика, получающие на вход большое число параметров) и исполнять их в самом ключе на его собственном микропроцессоре. Помимо защиты ПО от нелегального использования такой подход позволяет защитить используемый в программе алгоритм от изучения и клонирования конкурентами.

Как следует из вышесказанного, «сердцем» электронного ключа является шифрующий алгоритм. Тенденция состоит в том, чтобы реализовывать его аппаратно — затрудняет создание полного эмулятора ключа, так как ключ шифрования никогда не передается на выход донгла, что исключает возможность его перехвата.

Алгоритм шифрования может быть секретным или публичным. Секретные алгоритмы разрабатываются самим производителем средств защиты, в том числе и индивидуально для каждого заказчика. Главным недостатком использования таких алгоритмов является невозможность оценки криптографической стойкости. С уверенностью сказать, насколько надёжен алгоритм, можно было лишь постфактум: взломали или нет. Публичный алгоритм, или «открытый исходник», обладает криптостойкостью несравнимо большей. Такие алгоритмы проверяются не случайными людьми, а рядом экспертов, специализирующихся на анализе криптографии. Примерами таких алгоритмов могут служить широко используемые ГОСТ 28147-89, AES, RSA, Elgamal и др.

Также существует технология создания «Внешних компонент», которые могут быть разработаны сторонними разработчиками для расширений функций «1С: Предприятие». Первоначально эта технология была создана для работы с многочисленным торговым оборудованием. В настоящее время, в связи с гибкостью данной технологии, внешние компоненты создаются для решения практически любых задач из числа тех, для решения которых «1С: Предприятие» изначально не способна. Так же внешние компоненты активно применяются для выделения «ключевого» функционала конфигураций в закрытый модуль, в качестве борьбы с несанкционированным копированием и модификацией.

Для большинства семейств аппаратных ключей разработаны автоматические инструменты (входящие в SDK), позволяющие защитить программу «за несколько кликов мыши». При этом файл приложения «оборачивается» в собственный код разработчика. Реализуемая этим кодом функциональность варьируется в зависимости от производителя, но чаще всего код осуществляет проверку наличия ключа, контроль лицензионной политики (заданной поставщиком ПО), внедряет механизм защиты исполняемого файла от отладки и декомпиляции (например, сжатие исполняемого файла) и др.

Важно то, что для использования автоматического инструмента защиты не требуется доступ к исходному коду приложения. Помимо использования автоматической защиты, разработчику ПО предоставляется возможность самостоятельно разработать защиту, интегрируя систему защиты в приложения на уровне исходного кода. Для этого в SDK включены библиотеки для различных языков программирования, содержащие описание функциональности API для данного ключа. API представляет собой набор функций, предназначенных для обмена данными между приложением, системным драйвером (и сервером в случае сетевых ключей) и самим ключом. Функции API обеспечивают выполнение различных операций с ключом: поиска, чтения и записи памяти, шифрования и расшифрования данных при помощи аппаратных алгоритмов, лицензирования сетевого ПО и т. д.

Умелое применение данного метода обеспечивает достаточно высокий уровень защищённости приложений. Нейтрализовать защиту, встроенную в приложение, достаточно трудно вследствие её «размытости» в теле программы.

Внутренние интерфейсы персонального компьютера

Содержание

Классификация интерфейсов

Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы:

  • системные интерфейсы ЭВМ;
  • периферийного оборудования (общие и специализированные);
  • программно-управляемых модульных систем и приборов;
  • интерфейсы сетей передачи данных и другое.

Мы предполагаем здесь рассмотреть внутренние интерфейсы (шины), внешние интерфейсы (порты) и интерфейсы процессоров. Интерфейсы мониторов (и видеопроекторов) рассмотрены далее.

Различные микросхемы и устройства, образующие персональный компьютер, должны быть соединены друг с другом таким образом, чтобы они имели возможность обмениваться данными и целенаправленно управляться. Эта проблема решена путем применения унифицированных шин. Используется набор проводников (на системной плате это печатные проводники), к которым подключены разъемы — гнезда (socket) или слоты (slot). В слоты расширения могут вставляться платы адаптеров (контроллеров) отдельных устройств и, что особенно важно, новых устройств. Таким образом, любой компонент, вставленный в слот, может взаимодействовать с каждым подключенным к шине компонентом персонального компьютера.

Шина представляет собой набор проводников (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной комплектации шина имеет три типа линий:

Обычно системы включают два типа шин:

  • системная шина, соединяющая процессор с ОЗУ и кэш памятью 2-го уровня;
  • множество шин ввода-вывода, соединяющие процессор с различными периферийными устройствами. Последние соединяет с системной шиной мост, который встроен в набор микросхем (chipset), обеспечивающий функционирование процессора.

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus) физически разделена на две:

  • первичную шину (FSB, Frontside bus), связывающую процессор с ОЗУ и ОЗУ с периферийными устройствами;
  • вторичную шину (BSB, Backside bus) для связи с кэш памятью L2.

Использование двойной независимой шины повышает производительность за счет возможности для процессора параллельно обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует отметить, что терминология, используемая в настоящее время для описания интерфейсов, не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «шина процессора» или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняя шина», «хост-шина» и опять же — «локальная шина».

Устройства, подключенные к шине, делятся на две основные категории — bus masters и bus slaves. Bus masters — это активные устройства, способные управлять работой шины, то есть инициировать запись/чтение и так далее Bus slaves — соответственно устройства, которые могут только отвечать на запросы.

Если для вас это все сложно то лучше заказать специалиста, который проведет диагностику вашего компьютера.

Внутренние интерфейсы

Интерфейсы, характеристики которых приводятся в таблице, относятся к внутренним.

Таблица основных характеристик внутренних интерфейсов

Стандарт Типичное применение Пиковая пропускная способность Примечания
ISA Звуковые карты, модемы От 2 до 8.33 Мбайт/с Практически не используется, начиная с 1999 года
EISA Сети, адаптеры SCSI 33 Мбайт/с Практически не используется, замещается PCI, LPC
LPC Последовательный и параллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер НГМД Как ISA/EISA Предложена Intel в 1998 году как замена для шины ISA
PCI Графические карты, адаптеры SCSI, звуковые карты новых поколений 133 Мбайт/с (32-битовая шина с частотой 33 МГц) Стандарт для периферийных устройств
PCI-X Тоже 1 Гбайт/с (64-битовая шина с частотой 133 МГц) Расширение PCI, предложенное IBM, HP, Compaq. Увеличена скорость и количество устройств
PCI Express До 16 Гбайт/с Разработка «интерфейса 3-го поколения» (Third generation Input/Output — 3GIO), может заменить AGP. Последовательная шина
AGP Графические карты 528 Мбайт/с 2x-mode (2 годаафические карты) Стандарт для Intel-PC, начиная с Pentium 2 сосуществует с PCI
AGP PRO ЗD-графика 800 Мбайт/с (4x-mode) Поддерживает видеокарты, требующие мощность до 100 Вт (AGP — до 25 Вт)
HT (Гипер Транспорт) Универсальный интерфейс До 32 Гбайт/с Разработка AMD для процессоров К7-К8

Шина ISA

ISA BUS (Industry Standard Architecture) — стандартные шины IBM PC XT (8 бит) и AT (16 бит).

  • 8-битовую шину данных;
  • 20-битовую шину адреса, что позволяет адресоваться к 2 20 бит (1 Мбайт) памяти;
  • три канала прямого доступа к памяти (DMA);
  • тактовую частоту 8 МГц;
  • пропускную способность 4 Мбайт/с;
  • 62-контактный разъем.

В настоящее время XT практически не применяется. В компьютерах AT шину расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. В таком виде она существует и поныне как самая распространенная шина для периферийных адаптеров. Шина AT имеет:

  • 6-битовую шину данных;
  • 24-битовую шину адреса, что позволяет адресовать 16 Мбайт памяти;
  • 8 каналов прямого доступа (DMA);
  • тактовую частоту 8-16 МГц.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture)

Шина EISA явилась «асимметричным ответом» производителей клонов PC на попытку IBM поставить рынок под свой контроль путем выпуска МСА. В сентябре 1988 года производители компьютеров — Compaq, Wyse, AST Research, Tandy, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC и Epson — представили совместный проект: 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. Основные характеристики новой шины:

  • 32-разрядная передача данных;
  • максимальная пропускная способность 33 Мбайт/с;
  • 32-разрядная адресация памяти позволяла адресовать до 4 Гбайт;
  • поддержка многих активных устройств (bus master);
  • возможность задания уровня двухуровневого (edge-triggered) прерывания (что позволяло нескольким устройствам использовать одно прерывание, как и в случае многоуровневого (level-triggered) прерывания);
  • автоматическая настройка плат расширения.

Шина МСА (MicroChannel Architecture)

MCA — микроканальная архитектура — была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50. Шина МСА несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами.

Эта шина не обладала обратной совместимостью с ISA, но содержала ряд передовых для своего времени решений:

  • 8/16/32-разрядную передачу данных;
  • пропускную способность 20 Мбайт/с при частоте шины 10 МГц;
  • поддержку нескольких активных устройств.

Работу координирует устройство, называемое арбитром шины (САСР — Central Arbitration Control Point). При распределении функций управления шиной арбитр исходит из уровня приоритета, которым обладает то или иное устройство или операция.

Всего таких уровней четыре (в порядке убывания):

  • регенерация системной памяти;
  • прямой доступ к памяти (DMA);
  • платы адаптеров;
  • процессор.

Сразу же после выхода шины EISA началась «шинная война», причем это была не столько война между архитектурами (они обе ушли в прошлое), сколько война за контроль IBM над рынком персональных компьютеров. Эту войну корпорация проиграла, хотя архитектура МСА по заложенным техническим решениям и перспективам развития выглядела предпочтительнее. Вот сравнительная характеристика двух шин:

Пропускная способность, Мбайт/с MCA 20 EISA 33
Способ передачи данных Асинхронный Синхронный
Размер карты (длина х ширина), мм 292.1 х 88.2 333.5 х 127.0

Поскольку поверхности карты EISA в 1.65 раза больше, а адаптер EISA мог потреблять в 2 раза больше мощности, чем адаптер МСА, выпускать периферию под EISA оказалось проще и дешевле.

Кроме того, в «шинной войне», как и везде, присутствует «рука Intel». В стремлении освободить рынок для новых процессоров 80386 и 80486 Intel выпускала EISA-чипсеты, не поддерживающие 286 процессор, в то время как шина МСА прекрасно работала и на компьютерах с 286. Таким образом, перспективная разработка IBM так и осталась перспективной, но и шина EISA не получила широкого распространения: к тому времени, когда потребности компьютеров среднего уровня переросли возможности шины ISA, разработчики перешли, минуя EISA, к локальным шинам.

Шина Low Pin Count («малоконтактный» интерфейс), или LPC, используется на IBM совместимых персональных компьютерах для подсоединения низкоскоростных устройств, таких, как «преемственные» (legacy) устройства ввода-вывода (последовательный и параллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер НГМД). Физически LPC обычно подсоединяется к чипу «Южного моста». Шина LPC была предложена Intel в 1998 году как замена для шины ISA.

Спецификация LPC определяет 7 электросигналов для двунаправленной передачи данных, 4 из которых несут мультиплексированные адрес и данные, оставшиеся 3 — управляющие сигналы (кадр, сброс, синхросигнал).

Шина LPC предусматривает только 4 линии вместо 8 или 16 для ISA, но она имеет полосу пропускания ISA (33 МГц). Другим преимуществом LPC является то, что количество контактов для присоединяемых устройств равно 30 вместо 72 для эквивалента ISA.

Локальные шины

Попытки улучшить системные шины за счет создания шин MCA и EISA имели ограниченный успех и кардинальным образом не решали проблемы. Все описанные ранее шины имеют общий недостаток — сравнительно низкую пропускную способность, поскольку они разрабатывались в расчете на медленные процессоры, В дальнейшем быстродействие процессора возрастало, а характеристики шин улучшались в основном экстенсивно, за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:

  • создание процессоров Intel 80486, работающих на частотах до 66 МГц;
  • увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров;
  • разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows или операционной системы/2) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA).

Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода-вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. При этом шина работает с частотой, соответствующей тактовой частоте процессора. Передачей данных управляет не центральный процессор, а плата расширения (мост), который высвобождает микропроцессор для выполнения других работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройства: память, дисплей, дисковые накопители при этом обслуживание сравнительно медленных устройств — мышь, модем, принтер и другое — производится системной шиной типа ISA (EISA).

Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus).

Отсутствие стандарта сдерживало распространение локальных шин, поэтому ассоциация VESA (Video Electronic Standard Association), представляющая более 100 компаний, предложила в августе 1992 года свою спецификацию локальной шины.

Локальная шина VESA (VL-bus)

Исторически появилась первой и была создана специально для лучшего микропроцессора того времени 480DX/2. В зависимости от используемого центрального процессора тактовая частота шины может составлять от 20 до 66 МГц.

Стандарт шины VL 1.0 поддерживает 32-разрядный тракт данных, но его можно использовать и в 16-разрядных устройствах. Стандарт 2.0 рассчитан на 64-битовую шину в соответствии с новыми процессорами. Спецификация 1.0 ограничена частотой 40 МГц, а 2.0 — 50 МГц. В спецификации 2.0 шина поддерживает до 10 устройств, 1.0 — только три. Устойчивая скорость передачи составляет до 106 Мбайт/с (для 64-разрядной шины — до 260 Мбайт/с).

Шина VL-bus явилась шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Однако и эта шина не была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие:

  • ориентация на 486-й процессор. VL-bus жестко привязана к шине процессора 80486, которая отличается от шин Pentium и Pentium Pro/Pentium 2;
  • ограниченное быстродействие. Как уже было сказано, реальная частота VL-bus не больше 50 МГц. Причем при использовании процессоров с множителем частоты шина использует основную частоту (так, для 486DX2-66 частота шины составит 33 МГц);
  • схемотехнические ограничения. К качеству сигналов, передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно только при определенных параметрах нагрузки каждой линии шины;
  • ограничение количества плат, вытекающее из необходимости соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)

Разработка шины PCI закончилась в июне 1992 года как внутренний проект корпорации Intel. Основные возможности шины следующие:

  • синхронный 32- или 64-разрядный обмен данными (64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям;
  • частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима);
  • полная поддержка многих активных устройств (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине);
  • спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео, звук и так далее).
  • а — разъем 32-разрядной шины с напряжением питания 5 В;
  • б — то же с напряжением питания 3.3 В;
  • в — типичное PCI-устройство.

Известны также более поздние разновидности — РС1-Х и PCI-Express, кроме того, к данному типу относится и PCMCIA — стандарт на шину для ноутбуков. Она позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стримеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и другие.

PCI-X не только увеличивает скорость PCI-шины, но также и число высокоскоростных слотов. В обычной шине РС1-слоты работают на 33 МГц, а один слот может работать при 66 МГц. PCI-X удваивает производительность стандарта PCI, поддерживая один 64-битовый слот на частоте 133 МГц, а общую производительность увеличивает до 1 Гбайт/с. Новая спецификация также предлагает расширенный протокол для увеличения эффективности передачи данных и снизить требования к электропитанию.

PCI Express (PCX)

Стандарт PCX определяет гибкий, масштабируемый, высокоскоростной, последовательный, «горячего подключения» интерфейс, программно-совместимый с PCI. В отличие от предшественника, PCX поддерживает систему связи «точка-точка», подобную ГиперТранспорту AMD, а не многоточечную схему, используемую в параллельной шинной архитектуре. Это устраняет потребность в шинном арбитраже, обеспечивает низкое время ожидания и упрощает «горячее» подключение-отключение системных устройств.

Ожидается, что одним из последствий этого будет сокращение площади платы на 50%. Топология шины PCX содержит главный мост (Host Bridge) и несколько оконечных пунктов (устройств ввода-вывода). Многократные соединения «точка-точка» вводят новый элемент — переключатель (ключ, switch) в топологию системы ввода-вывода.

Интерфейс PCX включает пары проводов — каналы (lane), и единственная пара (PCX-lane) представляет собой интерфейс РСХ 1х (800 Мбайт/с). Каналы могут быть соединены параллельно, и максимум (32 канала — PCX 32х) обеспечивает полную пропускную способность 16 Гбайт/с, достаточную, чтобы поддерживать требования систем связи в обозримом будущем.

Одним из направлений развития PCX является замена AGP. Действительно, 8 Гбайт/с двунаправленной пропускной способности достаточно для поддержки телевидения высокого разрешения (HDT). При этом данные технологии характеризуются следующими особенностями:

  • AGP — разделение полос пропускания для записи и чтения; общая полоса пропускания — 2 Гбайт/с; оптимизировано для однозадачного режима.
  • PCI Express — выделенные полосы для ввода и вывода; общая полоса пропускания до 8 Гбайт/с; оптимизировано для многозадачного режима.
  • а — с использование AGP;
  • б — на основе PCI Express.

Предполагается также, что PCI Express в дальнейшем сможет заменить в чипсетах контроллер внешних устройств «Southbridge», но это не повлияет на функции контроллера оперативной памяти «Northbridge».

Интерфейс PCMCIA

С появлением портативных компьютеров возникла проблема универсального и компактного интерфейса для подключения внешних устройств. В качестве такого интерфейса стандартом де-факто стал интерфейс PCMCIA, поддерживаемый Ассоциацией PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association), объединяющей компании, разрабатывающие периферийные устройства для портативных компьютеров. Аббревиатура PCMCIA вызывала много нареканий своей труднопроизносимостью. Существует даже шутливая интерпретация PCMCIA как «People Can`t Memorize Computer Industry Acronyms», что переводится как «Люди не в состоянии запомнить компьютерные аббревиатуры». В результате для PCMCIA сегодня принято использовать более благозвучный термин PC Card.

Устройства PC Card размером с обычную кредитную карточку являются альтернативой обычным платам расширения, подключаемым к шине ISA. В этом стандарте выпускаются модули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адаптеры, сетевые карты, звуковые карты, винчестеры (IBM Microdrive), интерфейсы CD-ROM и так далее.

  • а — карта PCMCIA;
  • б — включение в ноутбук;
  • в — адаптер X-Drive для сопряжения с USB.

Первая версия стандарта PC Card для связи между картой и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определяет 68-контактный механический соединитель. На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что позволяет непосредственно адресовать 64 Мбайта памяти. На стороне модуля PC Card расположен соединитель-розетка, а на стороне компьютера соединитель-вилка. Кроме того, стандарт определяет три различные длины контактов соединителя-вилки. Поскольку подключение и отключение PC Card может происходить при работающем компьютере (так называемое «горячее»), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение питания, а лишь затем напряжение сигнальных линий, соответствующие контакты выполнены более длинными.

Вторая версия спецификации PC Card предусматривает три разновидности.

Таблица размеров карт второй версии PC Card

Тип карты Длина в миллиметрах
Type 1 85.6 (3.37«) 54(2.12») 3.3 в середине и 3.3 по краям
Туре 2 85.6 (3.37») 54(2.12») 5.0 в середине и 3.3 по краям
Type 3 85.6 (3.37») 54(2.12»)

AGP (Accelerated graphics port)

Несмотря на разрядность и скорость шины PCI, оставалась проблема, которая превышала ее возможности — выдача графической информации. Если адаптер CGA (4=2 2 цвета, экран 320 х 200 точек, частота 60 Гц) требует пропускную способность 2 х 320 х 200 х 60=7 680 000 бит/с=960 Кбайт/с, адаптер XGA (2 16 цветов, экран 1024 x 768 пикселей, частота 75 Гц) требует 16 x 1024 x 758 x 75=9 433 718 400 бит/с

118 Мбайт/с. В то же время пиковая пропускная способность РС1 составляла до 132 Мбайт/с.

Фирмой Intel было предложено решение в виде AGP — Accelerated graphics port (порт ускоренного графического вывода). Появление шины AGP в начале 1998 года было своеобразным прорывом в области графических работ. При частоте шины в 66 МГц она была способна передавать два блока данных за один такт. Пропускная способность шины составляет 500 Мбайт/с (V2.0) при двух режимах работы: DMA и Execute. Основным же преимуществом AGP является возможность хранения текстур в оперативной памяти. При этом скорости работы шины AGP хватает для их своевременной передачи в видеопамять (работа в режиме DMA). В режиме Execute оперативная и видеопамять воспринимаются как равноправные. Текстуры выбираются блоками 4 Кбайт из общей памяти с помощью таблицы GART (Graphic Adress Re-mapping Table) и передаются, минуя локальную память видеокарты. На сегодняшний день существует стандарт (поддерживаемый новыми чипсетами Intel и Via) AGP4x, позволяющий повысить пропускную способность до 1 Гбайт/с.

Схемы AGP взаимодействуют непосредственно с четырьмя источниками информации (Quadra port acceleration):

  • процессором (кэш память 2-го уровня);
  • оперативной памятью;
  • графической картой AGP;
  • шиной PCI.

AGP функционирует на скорости процессорной шины (FSB). При тактовой частоте 66 МГц, например, это в 2 раза выше, чем скорость PCI, и позволяет достигать пиковой пропускной способности в 264 Мбай/с. В графических картах, специально спроектированных для AGP, передача происходит как по переднему, так и по заднему фронту тактовых импульсов центрального процессора, что позволяет при частоте 133 МГц осуществлять передачу со скоростью до 528 Мбайт/с (это называется «2-х графика»). В дальнейшем была выпущена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4-х графику» или четырехкратную передачу данных за один такт центрального процессора.

Контроллер HyperTransport

Фирмой AMD была (процессор Hammer) предложена архитектура ГиперТранспорт (HyperTransport), обеспечивающая внутреннее соединение процессоров и элементов чипсета для организации многопроцессорных систем и повышения скорости передачи данных более чем в 20 раз.

В традиционной архитектуре с северным и южным мостами транзакции памяти должны проходить через микросхему «Северного моста», что вызывает дополнительные задержки и снижает потенциальную производительность. Чтобы избавиться от этого «узкого места» производительности, корпорация AMD интегрировала контроллер памяти в процессоры AMD64. Прямой доступ к памяти позволил существенно уменьшить задержки при обращении процессора к памяти. С увеличением тактовой частоты процессоров задержки станут еще меньше.

В основу шины HyperTransport — универсальной шины межчипового соединения — положено две концепции: универсальность и масштабируемость. Универсальность шины HyperTransport заключается в том, что она позволяет связывать между собой не только процессоры, но и другие компоненты материнской платы. Масштабируемость шины состоит в том, что она дает возможность наращивать пропускную способность в зависимости от конкретных нужд пользователя.

Устройства, связываемые по шине HyperTransport, соединяются по принципу «точка-точка» (peer-to-peer), что подразумевает возможность связывания в цепочку множества устройств без использования специализированных коммутаторов. Передача и прием данных могут происходить в асинхронном режиме, причем передача Данных организована в виде пакетов длиной до 64 байт. Масштабируемость шины HyperTransport обеспечивается посредством магистрали шириной 2.4, 8.16 и 32 бит в каждом направлении. Кроме того, предусматривается возможность работы на различных тактовых частотах (от 200 до 800 МГц). При этом передача данных происходит по обоим фронтам тактового импульса. Таким образом, пропускная способность шины HyperTransport меняется от 200 Мбайт/с при использовании частоты 200 МГц и двух двухбитовых каналов до 12.8 Гбайт/с при использовании тактовой частоты 800 МГц и двух 32-битовых каналов.

Демонстрирует, насколько разводка для ГиперТранспорта экономичнее, чем для традиционных шин — достаточно сравнить площади, занимаемые на системной плате шиной AGP 8х с пропускной способностью 2 Гбайт/с и ГиперТранспорт (до 6.4 Гбайт/с).

Дополнительная информация по теме

Общее описание основных и важных элементов, деталей в компьютере для более детального понимания архитектуры

Статья проливает свет на все возможное сложности, которые встречаются при сборке компьютера обычным пользователем или же профессионалом

Статья описывает устройство персонального компьютера, раскрывает базовые понятия и термины

В статье рассказывается об основных типах персональных компьютеров, их характеристиках и требованиях к ПК

Внешние интерфейсы современных ПК

Внешние интерфейсы современных ПК

Внешние шины ПК
(Шины, объединяющие компьютер с внешними устройствами, называются внешними)

Параллельный интерфейс LPT-Line Printer-IEEE1284

Последовательный интерфейс RS-232 (Recomendet Standart)

Последовательный интерфейс PS/2

Последовательный интерфейс IrDA

Последовательный интерфейс USB-Universal Serial Bus

Последовательный интерфейс FireWire или iLink (IEEE1394)

Параллельные интерфейсы для подключения HDD (Hard Disк Drive) –

Ø PATA — интерфейсы-IDE (Integrated Drive Electronics) он же ATA ( Advanced Technology Ettachment, EIDE (Enchanced IDE) он же Fast ATA,

Ø SCSI (Small ComputerSystem Interface)

• Последовательные интерфейсы для подключения HDD-SATA-(Serial ATA)

Последовательные беспроводные интерфейсы

Ø IEEE 802.15 (Bluetooth)

Ø IEEE 802.11 (Wi-Fi)

Ø IEEE 802.16 (Wi-MAX)

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда – название интерфейса и порта. Английские термины – Serial Interface и Serial Port. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. Характерной особенностью является применение не-ТТЛ сигналов. Примеры: интерфейсы RS-232C, RS-422А, RS-423A, RS-485, токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.

Параллельный порт (LPT) используется для подключения принтера (плоттера, сканера, внешних ЗУ). Интерфейс параллельного порта выполнен в соответствии с интерфейсом Centronics (получившим название по имени американской фирмы – производителя принтеров, предложившей в свое время собственный интерфейс для принтера). Использует ТТЛ сигналы (+5 В и 0 В). Имеется три основных режима работы: SPP, ECP и EPP. EPP поддерживает большие скорости передачи данных.

PCI (Peripherial Component Interconnect) шина. Разработана Intel и служит для подключения устройств расширения Шина 32-разрядная, работает на частоте 33 МГц (что обеспечивается переменным делителем). Соответственно, пропускная способность — 133 Мб/с. Шина PCI поддерживает режим работы Bus Маstering. То есть PCI-устройство может захватить управление шиной и организовать передачу данных без участия процессора. В мостовой архитектуре чипсета поддержка PCI обеспечивалась северным мостом, в хабовой за нее отвечает южный. В первом случае кроме передача данных от PCI-устройств, шина PCI выполняла еще одну задачу — обеспечивала связь между северным и южным мостами (то есть, фактически, между оперативной и дисковой памятью).

Следующая шина — шина AGP. Расшифровывается это как Accelerated Graphics Port. Разработан стандарт AGP был фирмой Intel, и, соответственно, впервые поддержка AGP появилась в чипсете Intel ВХ. С появлением AGP видеокарте фактически была выделена собственная скоростная шина к памяти (контроллер AGP находился в северном мосту, контроллер памяти — там же). Сделано это было, чтобы освободить шину PCI от потока данных, требующегося для работы появившихся примерно в то же время 3D-ускорителей. Шина AGP 32-разрядная и работает на частоте 66 МГц. Соответственно ее пропускная способность — 266 Мб/с. Затем последовали спецификации AGP 2Х, 4Х,8X, обеспечивающие пропускные способности 533 Мб/с, 1066 Мб/с и 2128 Мб/с. AGP позволяет видеокарте напрямую работать с оперативной памятью и использовать часть ее в качестве текстурной памяти. При тактированни AGP переменный коэффициент умножения и частота AGP остается равной 66 МГц

EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics). Первоначально интерфейс был разработан для подключения накопителей к ПК типа IBM PC AT и назывался IDE (Integrated Drive Electronics). Название интерфейса IDE образовалось вследствии того, что все управление винчестером находится в нем самом. Интерфейс IDE за почти двадцатилетнюю историю практически не изменился, оставаясь укороченной версией системной шины IBM PC AT, и лишь периодически подвергался модернизации для увеличения скорости обмена между винчестером и системной платой. Его модернизация под названием АТА (AT Attachment, ранее EIDE – Enhanced IDE), которая коснулась только протоколов обмена и соединительного шлейфа, режимов работы интерфейса. Были введены дополнительные режимы работы (так называемые PIO-режимы (Programmed I/O) и (U)DMA-режимы). При PIO-режимах программно задается скорость обмена через интерфейс. Обмен по каналу DMA занимает исключительно шины ввода/вывода и памяти. Процессору требуется выполнить только процедуру инициализации канала, после чего до прерывания от устройства в конце передачи блока он свободен (этим могут воспользоваться многозадачные системы). Новейшее достижение – режим Ultra DMA, позволяющий достигнуть скорости передачи 133 Мбайт/с и обеспечить достоверность передачи, чего не делалось ни в PIO, ни в стандартных режимах DMA. Все варианты интерфейса (к названию прибавляется номер) совместимы по электрическим и механическим характеристикам. В табл. 9, 10 приведены возможности интерфейса IDE в различных режимах.

Параметры режимов передачи (PIO mode)

Минимальное время цикла, нс

Скорость передачи Мбайт/c

Возможности интерфейса IDE в различных режимах (U)DMA

Режим

Скорость, Мбайт/с

Single word DMA Mode 0

Single word DMA Mode 1

Single word DMA Mode 2

Multiword DMA Mode 0

Multiword DMA Mode 1

Multiword DMA Mode 2

SCSI (Small ComputerSystemInterface – интерфейс малых компьютерных систем). Первоначально этот интерфейс появился в 1980 году для работы с дисковыми подсистемами. В настоящее время существует несколько спецификаций интерфейса, отличающихся параметрами подключаемых устройств, пиковой пропускной способностью, максимальной длиной шлейфа. В качестве SCSI-устройств сейчас чаще всего выступают высокоскоростные компоненты с большим объемом передаваемых данных: жесткие диски, CD-дисководы, сканеры. По-видимому, SCSI будет постепенно вытесняться более современным и удобным интерфейсом IЕЕЕ1394.

Для обеспечения работы компонентов с интерфейсом SCSI требуется наличие на компьютере специального SCSI хост-адаптера (вставляемого в слот расширения или встроенного в системную плату), который согласует сигналы устройства со спецификациями шины системной платы, присваивает идентификационные номера подключенным SCSI-компонентам, обрабатывает данные с помощью специального драйвера. К сегодняшнему дню имеются следующие спецификации SCSI:

· оригинальная (или SCSI-1);

· Ultra SCSI-3 (ULTRA 160 SCSI);

Скорость передачи данных варьируется от 5 Мбайт/с (SCSI-1) до 320 Мбайт/c (Ultra 320 SCSI), частота шины от 5 МГц (SCSI-1) до 40 МГц (SCSI-3), количество поддерживаемых устройств от 8 (SCSI-1, Fast SCSI-2, Ultra SCSI-2) до 16 (остальные спецификации SCSI), длина шлейфа от 1,5 м (Ultra SCSI-2, UltraWide SCSI-2) до 12 м (Ultra SCSI-3). Все устройства SCSI подключаются по цепочке, причем первое (т. е. SCSI хост-адаптер) и последнее устройства в цепочке должны иметь терминаторы (активные или пассивные), обеспечивающие определенные электрические характеристики (по напряжению и сопротивлению) в цепи.

Serial ATA и Serial ATA II. Пришедший на смену параллельному ATA-интерфейсу последовательный ATA избавил пользователей от проблем с неудобством широких разъемов, плохой масштабируемостью и сравнительно невысокой скоростью передачи данных. Маленькие удобные кабели и скорость передачи данных 150 Мб/с (с увеличением в дальнейшем до 300, а затем и до 600 Мб/с) вместе с отличной масштабируемостью Serial ATA решений благоприятно повлияли на популярность SATA-устройств. Последовательный интерфейс Serial ATA вместо громоздкого плоского кабеля с 80 проводниками использует тонкий коаксиальный провод длиною до 1 м, по которому данные будут передаваться в виде отдельных битов с разницей в уровнях напряжения всего 0,5 В. Подвергся модификации и разъем питания, в котором предложено использовать 5 линий. Дополнительное напряжение составляет 3,3 В. Немаловажным достоинством интерфейса Serial ATA является и то, что уменьшаются габариты разъемов. В совокупности со всем остальным это позволяет начать действительно реальный процесс сокращения габаритов системных блоков персональных компьютеров. Пользователям доступны переходники, которые позволят совместно использовать устройства с интерфейсами IDE и Serial ATA. To есть можно будет подключить винчестер с интерфейсом Serial ATA к любой старой системной плате, а к системной пла­те с интерфейсом Serial ATA подключить традиционный винчестер.

В сентябре 2003 года Intel продемонстрировала прототип SATA‑II‑устройства. Serial ATA II – расширение спецификации SATA для серверов и высокопроизводительных рабочих станций. В частности, SATA‑II обеспечит скорость работы до 300 Мб/с, улучшенный интерфейсный кабель (SATA-II CabCon), мультипликатор портов для увеличения числа подключаемых устройств, а также селектор портов для резервных соединений и повышения надежности системы. Хоть обновленная технология еще находится в стадии разработки, по доступным данным о ней (см. выше) уже можно делать выводы о направлениях дальнейшего развития стандарта.

PS/2 интерфейс – шестиштырьковый мини-разъем. Синхронный интерфейс PS/2 использует две раздельные сигнальные линии, одну – для передачи данных, другую – для сигналов синхронизации. Сейчас применяется для подключения мыши, хотя все больше уступает USB.

Теоретически по шине USB можно подключать до 127 устройств. Обмен данными с быстродействующими устройствами осуществляется на скорости 12 Мбит/с, а с медленными – на 1,5 Мбит/с. Имеющаяся в составе шины USB линия питания с допустимым током нагрузки до 500 мА во многих случаях позволяет периферии обходиться без дополнительных источников. Все устройства подключаются в горячем режиме и автоматически конфигурируются благодаря поддержке режима Plug and Play.

USB 2.0 унаследовал все достоинства USB 1.1. Максимальная скорость обмена увеличилась в 40 раз и составила 480 Мбит/с. USB 2.0 может быть востребован в первую очередь в качестве интерфейса внешних накопителей данных. Речь идет о приводах DVD, CD-RW и различных мобильных компактных носителях. К подобным аппаратам относятся цифровые, видео — и фотокамеры.

Единственным реальным соперником USB 2.0 в борьбе за пользователей является интерфейс FireWire, называемый также IEEE 1394. В настоящее время этот стандарт все еще дороже своего конкурента и менее распространен. Изобретателем нового высокоскоростного последовательного интерфейса, который сначала разрабатывался как скоростной вариант SCSI, является фирма Apple. Скорость передачи данных шины IEEE 1394 – 100, 200, 400 Мбит/c, количество устройств – до 63. Как и USB, шина IEEE 1394 обеспечивает возможность переконфигурации аппаратных средств компьютера без его выключения.

IrDA относится к категории wireless (беспроводных) внешних интерфейсов, однако в отличие от радиоинтерфейсов, канал передачи информации создается с помощью оптических устройств. Среди других беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК) открытый оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров). Технически сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который использует универсаль­ный асинхронный приемопередатчик UART и работает со скоростью передачи данных 2400–115 200 бит/с. Связь в IrDA полудуплексная. Первым стандартом, принятым IrDA (Infrared Data Association), был так называемый Serial Infrared standart (SIR). Данный стандарт позволял обеспечивать передачу информации со скоростью 115,2 Кбит/с. В ноябре 1995 года Microsoft Corporation заявила о внесении программного обеспечения, обеспечивающего инфракрасную связь, использующую IrDA-standart, в стандартный пакет операционной системы Windows 95. На данный момент IrDA-standart – самый распространенный стандарт для организации передачи информации по открытому инфракрасному каналу.

В настоящее время используются следующие семейства стандартов беспроводного соединения: IEEE 802.15 (Bluetooth) для организации “точечной” связи (на минимальных расстояниях), IEEE 802.11 (Wi-Fi) – для создания ЛВС на небольших расстояниях (офис, дом) и IEEE 802.16 (Wi-MAX) – для предоставления услуг беспроводной связи в пределах города.

Активно продвигаемая консорциумом Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) технология Bluetooth предназначена для построения так называемых персональных беспроводных сетей (personal area network). Оборудование Bluetooth работает в диапазоне частот 2,4 ГГц, для передачи трафика используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты. Суммарная пропускная способность сетей Bluetooth – 780 Кбит/с. При использовании асинхронного протокола максимальная скорость однонаправленной передачи данных составляет 722 Кбит/с. Согласно спецификации Bluetooth два совместимых устройства должны взаимодействовать друг с другом на расстоянии до 10 м.

Wi-Fi (WirelessFidelity – беспроводная точность) – некоммерческий альянс по стандартизации сетевого оборудования 802.11. Одна точка доступа Wi-Fi может обслуживать определенное количество подключающихся пользователей в радиусе около 100 м (скорость подключения – до 54 Мбит/с при использовании 802.11g). Хотя таких точек доступа пока относительно немного, в ближайшее время количество их должно значительно увеличиться: согласно прогнозам Dataquest, стоит ожидать увеличения их числа с 73 в 2001 до 34 840 в 2007 году. Кстати, в прошлом году в Европе насчитывалось более 3 млн устройств с возможностью подключения к беспроводным сетям, а в этом году их количество должно удвоиться.

Wi-MAX – некоммерческая организация, призванная обеспечить совместимость и взаимодействие систем, реализованных на базе стандарта 802.16а. Базовые станции 802.16а обеспечивают широкополосный доступ к сети на скоростях до 75 Мбит/с на расстоянии 6–9 км (стандартная зона уверенного приема; максимальный радиус действия – 40 км). 802.16а и 802.11b гармонично дополняют друг друга: базовая станция 802.16 обслуживает точки доступа 802.11 в радиусе действия, а те, в свою очередь, предоставляют услуги беспроводной связи мобильным компьютерам конечных пользователей. Пока беспроводная связь является довольно дорогой игрушкой, но с увеличением спроса на беспроводные решения и полной стандартизацией решения для организации точек доступа и сами базовые станции должны сильно подешеветь.

Сравнение интерфейсов PC. Чтобы можно было сравнить возможности различных интерфейсов, в табл. 9, 10,11,12 приведены для некоторых из них максимальные скорости передачи информации. При планировании конфигурации компьютера нужно стремиться избежать узких мест, препятствующих повышению общей производительности системы и не допустить излишеств, которые не дадут эффекта. Для наглядности представим принципиальную схему современного компьютера с указанием его узких мест (рис. 31).

Максимальные скорости передачи информации через интерфейсы
персонального компьютера

Виды интерфейсов. Технологии реализации интерфейсов

Компьютер обменивается информацией с человеком посредством набора определенных правил, обязательных как для машины, так и для человека. Эти правила называются интерфейсом. Интерфейс может быть понятным и непонятным, дружественным или нет. Современными видами интерфейсов являются:

1.Командный интерфейс – пользователь дает команды компьютеру, который их выполняет и выдает результат пользователю. Командный интерфейс реализован в виде пакетной технологии и технологии командной строки.

2.WIMPинтерфейс (WIMP от: Window – окно; Image – образ; Menu – меню; Pointer – указатель) – диалог пользователя с компьютером ведется при помощи графических образов: меню, окон и других элементов. Интерфейс реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и WIMP-интерфейс.

3.SILK-интерфейс (SILK от: Speech – речь; Image – образ; Language – язык; Knowlege – знание) – разговор пользователя с компьютером. Интерфейс наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. При этом компьютер определяет команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд компьютер преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, поэтому его применяют в основном для военных целей.

Основными технологиями реализации интерфейсов являются следующие технологии (рис.1.3.):

1.Пакетная технология. Исторически технология появилась первой и существовала уже на релейных машинах Зюса и Цюзе (Германия, 1937 год). На вход компьютера подавалась последовательность символов, в которых по определенным правилам указывалась последовательность запущенных на выполнение программ. После выполнения очередной программы запускалась следующая программа и т.д. Машина по определенным правилам находила команды и данные. Например, в качестве такой последовательности выступали: перфолента, стопка перфокарт, последовательность нажатия клавиш электрической пишущей машинки (типа CONSUL). Машина выдавала свои сообщения на перфоратор, алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), ленту пишущей машинки. Такая машина представляла собой шкаф, в который постоянно подавалась информация, и который постоянно информировал о своем состоянии. Пользователь имел малое влияние на работу машины. Он мог лишь приостановить работу машины, сменить программу и вновь запустить ЭВМ.

Пользовательские интерфейсы
Типы ОС
Технологии
Рис.1.3. Взаимодействие типов операционных систем, пользовательских интерфейсов и технологий их реализации

2.Технология командной строки. Информация пользователя для компьютера передается посредством клавиатуры. Компьютер выводит информацию на алфавитно-цифровой дисплей (монитор). Комбинацию «монитор + клавиатура» назвали терминалом или консолью. Команды набираются в командной строке, которая представляет собой символ приглашения и мигающий прямоугольник – курсор. При нажатии клавиши на месте курсора появляются символы и курсор смещается вправо, неправильно набранный символ стирается нажатием клавиши Delete (del). Команда заканчивается нажатием клавиши Enter (Return.), после чего осуществляется переход в начало следующей строки, в позиции которой компьютер выдает на монитор результаты своей работы. Затем процесс повторяется. Технология командной строки уже работала на монохромных алфавитно-цифровых дисплеях.

Поскольку вводить позволялось только буквы, цифры и знаки препинания, то технические характеристики дисплея были не существенны. В качестве монитора можно было использовать телевизионный приемник или трубку осциллографа. Преобладающим видом файлов при работе с командным интерфейсом были текстовые файлы, которые можно было создавать при помощи клавиатуры. На время наиболее широкого использования интерфейса командной строки приходится появление операционной системы UNIX и появление первых восьмиразрядных персональных компьютеров с многоплатформенной операционной системой CP/M.

3.Технология графического интерфейса. Идея графического интерфейса возникла в середине 70-х годов, когда в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center (PARC) была разработана концепция визуального интерфейса. Предпосылкой графического интерфейса явилось уменьшение времени реакции компьютера на команду, увеличение объема оперативной памяти, развитие технической базы компьютеров. Аппаратным основанием концепции явилось появление алфавитно-цифровых дисплеев, которые стали поддерживать новые эффекты: мерцание символов, инверсию цвета (смена начертания белых символов на черном фоне черными символами на белом фоне), подчеркивание символов. Эффекты распространились не на весь экран, а только на один или более символов. Следующим шагом явилось создание цветного дисплея, позволяющего выводить, вместе с этими эффектами, символы в 16 цветах на фоне с палитрой (то есть цветовым набором) из 8 цветов.

Первая система с графическим интерфейсом 8010 Star Information System группы PARC появилась в начале 1981 года. Первоначально интерфейс использовался только в программах. Постепенно он стал переходить и на операционные системы, используемые сначала на компьютерах Atari и Apple Macintosh, затем и на IBM-совместимых компьютерах. Под влиянием новых концепций проходил процесс по унификации в использовании клавиатуры и мыши прикладными программами. Графический интерфейс пользователя за время своего развития прошел две стадии с 1974 года по настоящее время.

Простой графический интерфейс. На первом этапе графический интерфейс очень походил на технологию командной строки, за исключением следующих отличий:

— при отображении символов допускалось выделение части символов цветом, инверсным изображением, подчеркиванием и мерцанием, благодаря чему повысилась выразительность изображения;

— в зависимости от конкретной реализации графического интерфейса курсор мог представляться мерцающим прямоугольником или некоторой областью, охватывающей несколько символов, которая отличалась от других невыделенных частей;


— нажатие клавиши Enter не всегда приводило к выполнению команды и переходу к следующей строке, так как реакция на нажатие любой клавиши во многом зависела от того, в какой части экрана находился курсор;

— кроме клавиши Enter на клавиатуре стали использовать клавиши управления курсором и манипуляторы (мышь, трекбол и др., рис.1.4.), которые позволяли быстро выделять нужную часть экрана и перемещать курсор.

Отличительные особенности интерфейса: выделение областей экрана; переопределение клавиш клавиатуры в зависимости от контекста; использование манипуляторов и клавиш управления курсором; широкое использование цветных мониторов. Появление интерфейса совпадает с широким распространением операционной системы MS-DOS, которая внедрила этот интерфейс и улучшила характеристики отображения символов и другие параметры монитора. Примеры использования интерфейса: файловая оболочка Nortron Commander, текстовый редактор Multi-Edit, редакторы: Лексикон и ChiWriter, текстовый процессор Microsoft Word for Dos.

Рис.1.4. Виды манипуляторов для работы с графическим интерфейсом

WIMP-интерфейс стал вторым этапом в развитии графического интерфейса, его характерные особенности:

— работа с программами, файлами и документами происходит в окнах — частях экрана, определенных очерченных рамкой;

— программы, файлы, документы, устройства и другие объекты представляются в виде значков – иконок, которые при открытии превращаются в окна;

— действия с объектами осуществляются с помощью меню, которое стало основным элементом управления;

— одним из основных элементов управления стал манипулятор, которым указывают на область экрана, окна или иконки, выделяют ее и посредством меню или с использованием других технологий осуществляют управление ими.

Для реализации WIMP-интерфейсу требуются: цветной растровый дисплей с высоким разрешением, манипулятор и программы, ориентированные на данный вид интерфейса, которые предъявляют повышенные требования к производительности компьютера, объему его памяти, пропускной способности шины и т.п. В настоящее время WIMP-интерфейс является стандартом.

4.Речевая технология. Появилась в середине 90-х годов после появления недорогих звуковых карт. По этой технологии команды подаются голосом путем произнесения специальных зарезервированных слов – команд. Основными командами являются:

«Проснись» – включение голосового интерфейса;

«Отдыхай» – выключение речевого интерфейса;

«Открыть» – переход в режим вызова той или иной программы, имя программы называется в следующем слове;

«Буду диктовать» – переход из режима команд в режим набора текста голосом;

«Режим команд» – возврат в режим подачи команд голосом и др.

Слова должны выговариваться четко, в одном темпе. Между словами обязательна пауза. Из-за неразвитости алгоритма распознавания речи такие системы требует индивидуальной предварительной настройки на каждого конкретного пользователя. Речевая технология является простейшей реализацией SILK — интерфейса.

5.Биометрическая технология (мимический интерфейс.). Технология возникла в конце 90-х годов XX века. Для управления компьютером используется выражение лица человека, направление его взгляда, размер зрачка и другие признаки. Для идентификации пользователя используется рисунок радужной оболочки его глаз, отпечатки пальцев и другая уникальная информация. Изображения считываются с цифровой видеокамеры, а затем с помощью специальных программ распознавания образов из этого изображения выделяются команды. Эта технология используется в программных продуктах и приложениях для идентификации пользователя компьютера.

6.Технология семантического интерфейса (общественного интерфейса). Технология возникла в конце 70-х годов XX века с развитием искусственного интеллекта и основана на семантических сетях. Данный вид интерфейса включает в себя: интерфейс командной строки, графический интерфейс, речевой интерфейс и мимический интерфейс. Основная его отличительная черта – отсутствие команд при общении с компьютером. Запрос формируется на естественном языке в виде связанного текста и образов. По своей сути интерфейс является моделированием общения человека с компьютером.

Электронная библиотека

С точки зрения пользователей важнейшим звеном любой техноло­гии обработки и передачи информации является информационная система. Ее возможности определяются ресурсами, зависящими от выбранных ком­пьютера, внешних устройств, программного обеспечения. Поэтому первой задачей, которую нужно решать, является создание структур информационных систем. Каждая из них должна наилучшим образом удовлетворять той цели, которую необходимо достичь.

При создании информационных систем и сетей на первый план вы­ходит проблема выбора интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие:

ü пользователей с системами;

ü систем друг с другом;

ü компонентов каждой системы между собой.

Выбор этих интерфейсов из множества предлагаемых, в конечном счете, определяет эффективность функционирования экономических систем.

Информационная система описывается двумя схемами. По обработке данных она представляется (рис. 7.1) тремя важнейшими компонентами: компьютером, операционной системой и прикладными программами. Компьютеры выполняют задачи обработки данных, а прикладные программы описывают процедуры решения этих задач для нужд пользователей. Всеми этими процессами управляет операционная система.

Взаимодействие рассматриваемых компонентов системы друг с другом характеризуется тремя типами интерфейсов: аппаратным, прикладным, трехмерным. Аппаратный интерфейс является совокупностью характеристик, определяющих взаимодействие операционной системы с процессором компьютера. Прикладной интерфейс характеризует правила взаимосвязи операционной системы с прикладными программами и между этими программами. Среди прикладных интерфейсов особо выделяется трехмерный интерфейс. Он предназначен для прикладных программ, создающих объемные изображения. Использование трехмерного интерфейса позволяет объединять программы, представляющие объемные изображения, имитировать в них тени источников света.

Взаимодействие пользователей с информационной системой и ее связи с другими системами происходят следующим образом (рис. 7.2). Информационная система представляет собой область взаимодействия прикладных программам и взаимодействующих с ними терминалов. Задачей области взаимодействия является обеспечение связи через физические средства соединения с другими системами. Терминалы необходимы для ввода пользователями заданий прикладным программам и приема от них результатов, полученных при обработке данных. Интерфейс терминала определяет требования, которым терминал должен удовлетворять, чтобы его можно было подключить к информационной системе.

В общем случае компьютер может работать с группой терминалов, число которых определяется его производительностью. Что же касается персонального компьютера, то в нем используется один терминал, чаще всего состоящий из монитора с клавиатурой. Кроме этого, в состав терминала могут входить и другие внешние устройства, например, мышь, динамик, микрофон.

С терминалами работают пользователи, а характер их взаимодействия определяет интерфейс пользователя. Он описывает правила и процедуры работы пользователя с информационной системой. Существует несколько типов интерфейса пользователя. Наиболее широкое распространение получил графический интерфейс, использующий полиэкранную технологию. Основными понятиями этого интерфейса являются окна, создаваемые на экране монитора и пиктограммы, предлагающие различные операции над данными. При использовании графического интерфейса операции с системой сводятся к работе с окнами и внутри них. Для успешной работы пользователя для него создаются также окна подсказок.

Все большую популярность получает речевой интерфейс пользователя, который обеспечивает ввод команд и данных с помощью речи. Существует два вида интерфейса: для искусственно замедленного темпа речи и нормальной речи. В первом случае в систему вводятся отдельные слова, например команды управления обработкой данных, во втором – вводятся сами данные. Естественно, что требуемые ресурсы в первом случае значительно меньше тех, которые необходимы во втором случае. В обоих случаях система должна уметь распознавать речь. Восприятие команд осуществляется достаточно точно. Вместе с этим, идентификация слов непрерывной речи в современных системах осуществляется с точностью, примерно, равной 98 %. Это значит, что два из ста слов будут ошибочно поняты системой, поэтому требуется, чтобы после ввода речи пользователь отредактировал синтезированный текст.

Повсеместно, создавая на предприятиях и организациях локальные сети, предназначенные для обработки экономической информации, приходится сталкиваться с тем, что необходимо использовать компьютеры различных типов, созданные несколькими производителями, а поэтому имеющие разные аппаратные интерфейсы.

Проблема стыковки компьютеров и прикладных программ (см. рис. 7.1), имеющих различные интерфейсы, решается использованием прикладных сред – групп вспомогательных программ (П), являющихся окружением операционной системы и предназначенных для выработки различных аппаратных и прикладных интерфейсов (рис. 7.3). В этом случае выбирается наиболее подходящая для экономических задач операционная система. Она становится базовой для всех компьютеров, включаемых в локальную сеть. Но для того, чтобы базовую операционную систему можно было погрузить в компьютеры различных типов, к ней добавляются вспомогательные программы (П), создающие интерфейсы, нужные для используемых компьютеров и применяемых прикладных программ.

Следует иметь в виду, что новые типы операционных систем в сво­ем составе уже имеют оболочки, образующие прикладные среды. Появился также другой подход. Он заключается в том, что исследователи пытаются разработать единый стандартный прикладной интерфейс. В случае успеха все прикладные программы смогут работать с любыми операционными системами. Между тем, разнообразие создаваемых прикладных программ, скорее всего, приведет к созданию не одного, а нескольких (с разными воз­можностями) стандартных прикладных интерфейсов.

Выбор используемых в локальной сети интерфейсов и минимизация их числа обеспечивает создание комплексной автоматизации производства. Автоматизация охватывает все области, связанные с производством и обеспечивает функционирование межоперационных связей. В результате возникают:

ü автоматизированные участки с транспортными связями;

ü технологические линии роботов и манипуляторов;

ü средства автоматизированного проектирования;

ü комплексы автоматизации инженерного труда;

ü системы управления запасами;

ü службы обеспечения выходного контроля;

ü системы автоматизации работы офисов;

При автоматизации производства используются также системы искусственного интеллекта, способные выполнять операции, ассоциируемые с ра­зумным поведением человека. Большое значение в комплексной автоматизации имеет оборудова­ние, обеспечивающее создание локальных сетей. В результате, предприятие либо организация существенно уменьшает накладные расходы, затраты на финансирование. Кроме этого, обеспечивается экономия энергии и сырья, сокращаются брак и отходы.

Большое значение в комплексной автоматизации имеет тестирование правиль­ности функционирования устройств или ПО. Наборы команд и символов, используемых для проверки, называют тестами. Наиболее распространено тестирование, основанное на идее черно­го ящика – системы, структура которой внешнему наблюдателю не доступ­на, но ему известны ее входные и выходные сигналы.

При представлении тестируемого изделия в виде черного ящика система тестирования (рис. 7.4) посылает входные и получает от него выходные сигналы. Зная, какой должна быть реакция, она принимает и анализирует выходные сигналы. Например, этим «ящиком» является сумматор – компонент кассового аппарата, который предназначен для сложения двух чисел. Подавая на входы сумматора сигналы, соответствующие различным числам, получаем вы­ходные сигналы, определяющие сумму этих чисел. Тогда, зная заранее ка­кой должен быть результат, можно определить правильно ли работает сумматор.

Часто, учитывая внутреннюю структуру тестируемого изделия, в нем, если необходимо для тестирования, создаются дополнительные входы и выходы. Они значительно упрощают процесс тестирования. Для сложных изделий, чтобы в приемлемое время завершить этот процесс, используется стохастическое тестирование, основанное на выдаче случайных последовательностей сигналов.

На практике используется также эталонное тестирование. Оно осно­вано на одновременном воздействии (рис. 7.5) входных последовательно­стей сигналов как на тестируемое изделие, так и на эталонное изделие, в правильности функционирования которого нет сомнений. Сравнение вы­ходных сигналов двух изделий позволяет проверить правильность функ­ционирования тестируемого изделия.

Устройство тестирования нередко называют тестером. Естественно, что тестер может выполнять возлагаемые на него функции лишь в тех случаях, когда он сам работает правильно. Поэтому тестер должен через определенные интервалы времени, либо перед каждым тестированием, осуществлять самотестирование, либо правильность его функционирования должна проверяться другим тестером.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Понятие о программном обеспечении (Software). Понятие об интерфейсе. Типы интерфейсов.

Программное обеспечение (ПО) — это совокупность программ, позволяющая организовать решение задач на ЭВМ. ПО и архитектура ЭВМ (аппаратное обеспечение) образуют комплекс взаимосвязанных и разнообразных функциональных средств ЭВМ, определяющих способность решения того или иного класса задач. Небходимо различать ПО и математическое обеспечение (МО). МО — это математические методы и алгоритмы, обеспечивающие решение поставленных задач. По мере развития поколений вычислительной техники одновременно совершенствовалось и программное обеспечение от простейших машинных команд до языков программирования высокого уровня и сложных операционных систем, от простейших текстовых редакторов до современных компьютерных технологий. Программное обеспечение делится на 3 класса: системное ПО, прикладное ПО и системы программирования (инструментальные системы). Резких граней между указанными тремя классами нет: иногда одни программы или пакеты программ из одного класса включают в себя программы из другого класса. Такие пакеты программ называются интегрированными системами. Пример: В состав MS-DOS 6.22 входит текстовый редактор MS-DOS Editor и среда программирования QBasic. Пример других интегрированных систем: MS Works, Windows 3.1, Windows-95/98/2000. 1. Системное ПО организует процесс обработки информации в ЭВМ. Главную часть системного ПО составляет Операционная система (ОС). К системному ПО также относятся программы для диагностики и контроля работы компьютера, архиваторы, антивирусы, программы для обслуживания дисков, программные оболочки, драйверы внешних устройств, сетевое ПО и телекоммуникационные программы. Примеры важнейших системных программ: MS-DOS, Norton Commander, Norton Utilities, Windows. 2. Прикладное ПО предназначено для решения определенного класса задач пользователей. Существуют пакеты прикладных программ (например, MS Works) и библиотеки стандартных программ (например, MathCad для вычисления функций, построения графиков и решения уравнений). Компьютеры широко используются для подготовки к печати различных документов. Подготовленный и оформленный документ затем распечатываеся на принтере. Программы, предназначенные для ввода и обработки текстов на ПК, называются текстовыми редакторами. Процесс подготовки текстов называется редактированием. Приме- ры важнейших текстовых редакторов: Лексикон, «Слово и Дело», Word. Современное прикладное ПО включает в себя основные офисные компьютерные технологии: текстовый процессор (технология обработки текста), табличный процессор (технология обработки численных данных), система управления базами данных (технология обработки данных различной природы), графический редактор (технология обработки графических изображений). Примером пакета программ, содержащим важнейшие офисные компьютерные технологии, является Microsoft Office-97 для Windows-95. К прикладному ПО относятся текстовые и графические редакторы, электронные таблицы, системы управления базами данных (СУБД), графические редакторы систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные рабочие места (АРМ) бухгалтера, секретаря и т.д., издательские, информационные и справочные системы, обучающие и тестирующие программы, игровые программы. Примеры важнейших прикладных программ: Word, Excel,Works, Лексикон, Paint Brush, AutoCad. 3. Важнейшей частью ПО являются Системы программирования (инструментальные системы), позволяющие разрабатывать новые программы на языках программирования. Примеры важнейших систем программирования: Turbo Pascal, QBasic, Borland C++, Visual Basic.

Понятие об интерфейсе. Типы интерфейсов.

Стандартные интерфейсы. Основа совместимости. Принципы проектирования интерфейсов

Страницы работы

Содержание работы

Стандартные интерфейсы. Основа совместимости. Принципы проектирования интерфейсов.

Работа современных АКИС основана на использовании системы стандартов и рекомендаций, включая требования к интерфейсу.

Интерфейс – это совокупность аппаратных, программных и конструкторских средств, для обеспечения взаимодействия элементов.

I. Информационная совместимость – это согласованность взаимодействия функциональных элементов, в соответствии с совокупностью логических условий, которые определяют структуру и состав линий и передаваемых сигналов, набор процедур и протоколов, способы кодирования и т.д.

1. информационные – содержат информацию для объекта (модуля системы) или информацию из объекта (результаты измерений);

2. управляющие – обеспечивают подготовку проведения измерений, извещают об их завершении, информируют о готовности и т.д.

3. программные – управляют функциональным состоянием модуля или прибора.

4. адресные – обеспечивают взаимосвязь конкретных модулей на каждом этапе работы.

5. специальные – сигналы, позволяющие реализовать индивидуальные особенности конкретного интерфейса.

II. Электрическая совместимость – подразумевает согласованность статических и динамических параметров сигналов: уровней нулей и единиц, допустимых задержек сигналов, допустимых расстояний передачи и т.д.

III. Конструктивная совместимость – это согласованность конструктивных элементов (разъемов, размеров плат, модулей, требований к экранировке)

При разработке интерфейсов используют принципы:

1. группового проектирования – когда создается сразу ряд функционально подобных модулей, отличающихся быстродействием, разрядностью, габаритами.

2. модульного проектирования – подразумевается, что сложная система компонуется из функционально самостоятельных модулей.

3. принцип унификации – предполагает, что номенклатура модулей ограничена, но достаточна.

4. принцип взаимозаменяемости – предполагает, что модули позволяют выполнять свои функции в любом комплекте.

Шина данных обеспечивает двунаправленный обмен, позволяющий передавать адреса приборов, команды управления интерфейсом, программные данные, результаты измерения.

ШДсодержит 8 линий, обозначаемых ЛДO. ЛД7 (линии данных). По этим линиям осуществляется обмен информацией бит-параллельным, байт-последовательным способом (словами). Тип информации, передаваемой по ШД, определяется состоянием линии УП (ШУ). Период времени, в течение которого информация ШД действительна, зависит от сигнала линии СД (ШС).

При обмене данными говорящим всегда может быть только 1 модуль, слушающим несколько. Последнее, как правило, необходимо когда контроллер передает общие команды.

Содержит три линии управления передачей информации по ШД:

СД (сопровождение данных) – управляется говорящим устройством. Перевод в низкое состояние СД «говорящим» прибором свидетельствует о достоверности байта на ШД. Обязательным условием перевода СД в низкое состояние является высокое состояние линии ГП.

ГП (готов к приему) — Линия обмена сигналами между приемником и передатчиком. Линия ГП управляется приемниками (адресованными на прием) или всеми устройствами, когда линия УП (ШУ) имеет низкое состояние.

Высокий уровень свидетельствует о готовности всех приемников, адресованных на прием, принять байт данных. Если хотя бы один приемник не готов к приему, он своим низким уровнем передатчика зашунтирует высокие уровни всех тех кто готов. Для этого в передатчиках рекомендуется использовать схему с закрытым коллектором.

Устройства не участвующие в обмене информацией должны находиться в режиме холостого хода.

ДП (данные приняты) — высокое состояние ДП указывает на конец приема информации «приемниками». Линия ДП управляет всеми устройствами, когда УП (ШУ) в низком состоянии или теми устройствами, которые адресованы на прием, если состояние УП высокое (аналогично линии ГП).

ШУ — шина управления — содержит пять линий, по которым передаются сигналы управления между контроллером и другими устройствами:

1. УП (управление). Линией управляет контроллер. Низкий уровень УП переводит все приборы в режим ожидания (все приборы, кроме контроллера — «слушающие»). Во время низкого уровня контроллер может передавать различные сообщения устройствам. Осуществляется организация измерительных приборов для какого-либо измерения. Контроллер системы последовательно передает адреса приемников и устанавливает их в требуемый режим работы. Далее для названных приемников назначается «говорящий» прибор. При этом называется его адрес на передачу, и это устройство с переходом УП в высокое состояние становится «говорящим». Устройство остается «говорящим» до команд «не передавать» или «очистить интерфейс».

2. ОИ (очистка интерфейса). Этой линией также управляет контроллер. По низкому уровню он производит очистку интерфейсов и перевод их в исходное состояние.

3. КП (конец передачи). Линия используется и контроллером и другими устройствами. Линия работает в двух режимах: а) в режиме «передача» от «говорящего» к «слушающим»; б) в режиме «идентификации» при параллельном опросе устройств.

При параллельном опросе каждой линии ШД соответствует определенное состояние опрашиваемых устройств. Здесь не нужно адресовать устройства на передачу.

Внутренние интерфейсы

Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность коммутаторов, линий, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. С точки зрения обобщенной структуры ЭВМ и систем коммуникационные среды (см. рис. 2.2) состоят из процессорных устройств и коммутаторов, обеспечивающих соединения между ними.

Впервые реализованная в машинах IBM PC, IBM PC/XT и PC/AT концепция открытой архитектуры предполагает, что периферийные устройства связываются с ЦУ (процессор и ОП) посредством сменных карт расширения (или адаптеров), содержащих электронику, согласующую ЦУ и периферию —

Рис. 4.12. Открытая архитектура IBM PC:

/ — системная плата (процессор, память, chipset); 2 — внутренний интерфейс (ISA, LPC, PCI, AGP, HyperTransport и пр.); З — плата расширения (адаптер, интерфейсная карта, контроллер внешнего устройства); 4 — интерфейс внешнего устройства (RS-232, Centronics, SCSI, USB, Firewire, инфракрасный, eSATA, Bluetooth и пр.); 5 — периферийное устройство (клавиатура, монитор, принтер,

рис. 4.12. Развитие или замена одних внешних устройств на другие в таких условиях сопровождается простой заменой карты.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно разделить на следующие основные классы:

  • • системные интерфейсы ЭВМ;
  • • интерфейсы периферийного оборудования (общие и специализированные) ;
  • • программно-управляемых модульных систем и приборов;
  • • интерфейсы сетей передачи данных и др.

Мы предполагаем здесь рассмотреть внутренние интерфейсы (шины); внешние интерфейсы (порты) и интерфейсы процессоров.

Различные микросхемы и устройства, образующие компьютер, должны быть соединены друг с другом таким образом, чтобы они имели возможность обмениваться данными и были целенаправленно (системно) управляемыми. Эта проблема решается путем применения унифицированных шин. Используется набор проводников (на системной плате это печатные проводники), к которым подключены разъемы — гнезда (socket) или слоты (slot). В слоты расширения могут вставляться платы адаптеров (контроллеров) отдельных устройств и, что особенно важно, новых устройств. Таким образом, любой компонент, вставленный в слот, может взаимодействовать с каждым подключенным к шине компонентом ЭВМ.

  • Ш ина представляет собой набор проводников (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной комплектации шина имеет три типа линий:
    • • линии (биты, разряды) управления;
    • • линии адреса;
    • • линии данных.

Обычно системы включают два типа шин:

  • системная шина, соединяющая процессор с ОП и кэш-па-мятью 2-го уровня;
  • • множество шин ввода-вывода, связывающие процессор с различными периферийными устройствами. Последние соединяются с системной шиной мостом, который встроен в набор микросхем (chipset), обеспечивающий функционирование процессора (рис. 4.13).

Вторичная шина Backside bus (BSB)

Первичная шина Frontside bus (FSB)

Рис. 4.13. Системные интерфейсы и интерфейсы ввода-вывода

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus) физически разделена на две:

  • • первичная шина (Frontside bus — FSB), связывающая процессор с ОП и ОП с периферийными устройствами;
  • • вторичная шина (Backside bus — BSB) для связи с кэш-па-мятью.

Использование двойной независимой шины повышает производительность за счет возможности для процессора параллельно обращаться к различным уровням памяти. Довольно часто термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует отметить, что терминология, используемая в различных источниках для описания интерфейсов, не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «шина процессора» или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняя шина», «хост-шина» и опять же — «локальная шина».

Интерфейсы, характеристики которых приводятся в табл. 4.2, относятся к внутренним.

Таблица 4.2. Основные характеристики внутренних интерфейсов


Пиковая пропускная способность

Звуковые карты, модемы Сети, адаптеры 5С51

Практически не используется, замещается PCI

Графические карты, адаптеры 5С81, звуковые карты новых поколений

133 Мбайт/с (32-битовая шина с частотой 33 МГц)

Стандарт для периферийных устройств

  • 1 Гбайт/с (64-битовая шина с частотой
  • 133 МГц)

Расширение PCI, предложенное IBM, HP, Compaq. Увеличена скорость и количество устройств

Разработка «интерфейса 3-го поколения» (Third generation

Input/Output — 3GI0), может заменить AGP. Последовательная шина

Графические карты, 30-графика

528 Мбайт/с (2-х-тобе) 800 Мбайт/с (4-х-шобе)

Стандарт для Intel-PC начиная с Pentium II сосуществует с PCI

Разработка AMD для процессоров К7-К8

Шина ISA. ISA BUS (Industry Standard Architecture) — стандартные шины IBM XT (8 бит) и AT (16 бит).

Шина XT характеризуется следующими показателями (рис. 4.14, а):

  • • 8-битовая шина данных;
  • • 20-битовая шина адреса, что позволяет адресоваться к 2 20 бит (1 Мбайт) памяти;

Рис. 4.14. Разъемы шин ISA (a), EISA (б)

  • • три канала прямого доступа к памяти (DMA);
  • • тактовая частота 8 МГц;
  • • пропускная способность 4 Мбайт/с;
  • • 62-контактный разъем.

III ина XT поддерживает централизованный метод арбитража, с этой целью в ней имеются общие линии запроса и ответа. Для обеспечения арбитража всем устройствам присваивается фиксированный уровень приоритета. В настоящее время XT практически не применяется.

Шина АТ. В компьютерах IBM PC/AT шину расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. В таком виде она существует и поныне как самая распространенная шина для периферийных адаптеров. Параметры шины АТ:

  • • 6-битовая шина данных;
  • • 24-битовая шина адреса, что позволяет адресовать 16 Мбайт памяти;
  • • 8 каналов прямого доступа (DMA);
  • • тактовая частота 8—16 МГц.

Максимальная скорость передачи данных составляет 8 Мбайт/с (8 МГц х 16 бит= 128 Мбит/с), 128 Мбит/с : 2 (передача данных требует от 2 до 8 тактов) = 64 Мбит/с = 8 Мбайт/с. Для шины ISA выпускаются два типа плат расширения — 16-и 8-разрядные.

Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture). Шина EISA (рис. 4.14, б) явилась «асимметричным ответом» производителей клонов PC на попытку IBM поставить рынок под свой контроль путем выпуска MCA. Основные характеристики этой шины:

  • • 32-разрядная передача данных;
  • • максимальная пропускная способность — 33 Мбайт/с;
  • • 32-разрядная адресация памяти (позволяет адресовать до 4 Гбайт);
  • • поддержка многих активных устройств (bus master);
  • • возможность задания уровня двухуровневого (edge-triggered) прерывания (что позволяло нескольким устройствам использовать одно прерывание, как и в случае многоуровневого (level-triggered) прерывания);
  • • автонастройка плат расширения.

LPC. Шина Low Pin Count («малоконтактный» интерфейс), или LPC, используется на IBM-совместимых персональных компьютерах для подсоединения низкоскоростных устройств, таких, как «преемственные» (legacy) устройства ввода-вывода (последовательный и параллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер НГМД). Физически LPC обычно подсоединяется к чипу «Южного моста». Шина LPC была предложена Intel в 1998 г. как замена для шины ISA (рис. 4.15).

Спецификация LPC определяет 7 электросигналов для двунаправленной передачи данных, 4 из которых несут мультиплексированные адрес и данные, оставшиеся 3 — управляющие сигналы (кадр, сброс, синхросигнал).

Шина LPC предусматривает только 4 линии вместо 8 или 16 для ISA, но она имеет полосу пропускания ISA (33 МГц). Другим преимуществом LPC является то, что количество контактов для присоединяемых устройств равно 30 вместо 72 для эквивалента ISA.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus). Разработка шины PCI закончилась в июне 1992 г. как внутренний проект корпорации Intel. Основные возможности шины следующие (рис. 4.16, 4.17):

• синхронный 32- или 64-разрядный обмен данными (64-раз-рядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel Xeon). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, т. е. адрес и данные передаются по одним и тем же линиям;

Рис. 4.16. Архитектуры шин PCI (/); PCI-E (2)

Разъем 32-разрядной шины PCI с напряжением питания 5 В

Разъем 32-разрядной шины PCI с напряжением питания 3,3 В

  • • частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима) — 132 Мбайт/с (32-бит/33 МГц); 264 Мбайт/с (32-бит/66 МГц); 264 Мбайт/с (64-бит/ЗЗ МГц); 528 Мбайт/с (64-бит/66 МГц). При этом для работы шины на частоте 66 МГц необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте;
  • • полная поддержка многих активных устройств (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине);
  • • спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео, звук и т. д.);

Известны также более поздние разновидности — PCI-Х и PCI-Express, кроме того, к данному типу относится и PCMCIA — стандарт на шину для ноутбуков. Она позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стримеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др.

PCI-X. PCI-Х не только увеличивает скорость РС1-шины, но также и число высокоскоростных слотов. В обычной шине PCI-слоты работают на 33 МГц, а один слот может работать при 66 МГц. PCI-Х удваивает производительность стандарта PCI, поддерживая один 64-битовый слот на частоте 133 МГц, а общую производительность увеличивает до 1 Гбайт/с. Новая спецификация также предлагает расширенный протокол для увеличения эффективности передачи данных и снизить требования к электропитанию.

PCI Express (PCI-Е). Стандарт PCI-Е определяет гибкий, масштабируемый, высокоскоростной, последовательный, «горячего подключения» интерфейс, программно-совместимый с PCI. В отличие от предшественника, PCI-Е поддерживает систему связи «точка—точка», подобную ГиперТранспорту AMD, а не многоточечную схему, используемую в параллельной шинной архитектуре. Это устраняет потребность в шинном арбитраже, обеспечивает низкое время ожидания и упрощает «горячее» подключение-отключение системных устройств.

Ожидается, что одним из последствий этого будет сокращение площади платы на 50 %. Архитектура PCI Express обеспечивает полную полосу пропускания 16 Гбайт/с — Топология шины PCI-Е содержит главный мост (Host Bridge) и несколько оконечных пунктов (устройств ввода-вывода). Многократные соединения «точка—точка» вводят новый элемент — переключатель (ключ, switch) в топологию системы ввода-вывода (см. рис. 4.14, б).

Интерфейс PCI-Е включает пары проводов — каналы (lane), и одна такая пара (РС1-Е-1апе) представляет собой интерфейс PCI-Е 1х (800 Мбайт/с). Каналы могут быть соединены параллельно, и максимум 32 канала (PCI-Е 32х) обеспечивают полную пропускную способность 16 Гбайт/с, достаточную, чтобы поддерживать требования систем связи в обозримом будущем.

Одним из направлений развития PCI-Е является замена AGP (см. рис. 4.18). Действительно 8 Гбайт/с двунаправленной пропускной способности достаточно для поддержки телевидения высокого разрешения (HDT). Предполагается также, что PCI Express в конечном счете сможет заменить в чипсетах контроллер внешних устройств «southbridge». Это не повлияет на функции контроллера оперативной памяти «northbridge».

AGP (Accelerated graphics port). Несмотря на разрядность и скорость шины PCI, оставалась задача, которая выходила за пределы ее возможностей, — передача графической информации. Если адаптер CG А (4 = 2 2 цвета, экран 320 х 200 точек, частота 60 Гц) требует пропускную способность 2 x 320 x 200 x 60 = = 7 680 000 бит/с = 960 Кбайт/с, то адаптер XGA (2 16 цветов, экран 1024 x 768 пикселей, частота 75 Гц) требует 16 х 1024 х х 758 х 75 = 9 433 718 400 бит/с «118 Мбайт/с. В то же время пиковая пропускная способность PCI тогда составляла до 132 Мбайт/с.

Фирмой Intel было предложено решение в виде AGP — Accelerated graphics port (порт ускоренного графического вывода). Появление шины AGP в начале 1998 г. было своеобразным прорывом в области обработки графики. При частоте шины в 66 МГц она была способна передавать два блока данных за один такт. Пропускная способность шины составляет 500 Мбайт/с (V2.0) при двух режимах работы — DMA и Execute. На сегодняшний день существует стандарт AGP 4-х (поддерживаемый новыми чипсетами Intel и Via), позволяющий повысить пропускную способность до 1 Гбайт/с.

Схемы AGP взаимодействуют непосредственно с четырьмя источниками информации (Quadro port acceleration, рис. 4.18):

  • • процессором (кэш-память 2-го уровня);
  • • оперативной памятью;

528 Мбайт/с Схемы AGP 528 Мбайт/с

Графическая плата ранее помещалась здесь

Рис. 4.18. Схема взаимодействия элементов с использованием AGP

  • • графической картой AGP;
  • • шиной PCI.

AGP функционирует на скорости процессорной шины (FSB). При тактовой частоте 66 МГц, например (в 2 раза выше, чем скорость PCI), достигается пиковая пропускная способность в 264 Мбайт/с. В графических картах, специально спроектированных для AGP, передача происходит как по переднему, так и по заднему фронту тактовых импульсов ЦП, что позволяет при частоте 133 МГц осуществлять передачу со скоростью до 528 Мбайт/с («2-х графика»). В дальнейшем была выпущена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4-х графику» или четырехкратную передачу данных за один такт ЦП.

Контроллер Hyper Transport. Фирмой AMD (процессор Hammer) была предложена архитектура ГиперТранспорт (HyperTransport), обеспечивающая внутреннее соединение процессоров и элементов чипсета для организации многопроцессорных систем.

Устройства, связываемые по шине ГиперТранспорт, соединяются по принципу «точка—точка» (peer-to-peer), что подразумевает возможность связывания в цепочку множества устройств без использования специализированных коммутаторов. Пропускная

способность шины ГиперТранспорт меняется от 200 Мбайт/с (частота 200 МГц и два 2-битовых канала) до 12,8 Гбайт/с (частота 800 МГц и два 32-битовых канала) — рис. 4.19.

Рисунок 4.20 демонстрирует, насколько разводка ГиперТранспорт экономичнее, чем у традиционных шин — достаточно сравнить площади, занимаемые на системной плате шиной АОР 8х с пропускной способностью 2 Гбайт/с и ГиперТранспорт (до 6,4 Гбайт/с). т

  • 32 64 32 64 100 133 МГц
  • 33 МГц 66 МГц МГц

х1 х2х4х8х16 х32 х16x32x1x4 х8

800 МГц ГиперТранспорт

Шина ГиперТранспорт на 8 бит — 3,2 Гбайт/с

На контроллер ввода-вывода

ЦП с шиной ГиперТранспорт

Шина АЭР 2 Гбайт/с

Контроллер AMD 8151 Graphic tunnel

Элемент чипсета ГиперТранспорт

Шина ГиперТранспорт на 16 бит — 6,4 Гбайт/с

Рис. 4.20. Сравнительные физические размеры шин ГиперТранспорт и АвР

В таблице 4.3 приводятся основные характеристики различных поколений данного интерфейса.

Таблица 4.3. Характеристики версий интерфейса НурегТгапэроП

Максимальная частота, МГц

Максимальная ширина линии, бит

Максимальная скорость передачи (два направления), Гбайт/с

Интерфейсы центральных процессоров

Способность ПК поддерживать множество различных интерфейсов, допускающих подключение различных классов добавочных компонентов, составляющих и периферийных устройств, была одной из основных причин его быстрого успеха, ключом к которому была стандартизация.

Основа системы — процессор — не является исключением в этом смысле. В сущности ЦП — плоский квадратный слой кремния со схемами, выгравированными на его поверхности. Этот элемент укрепляется на основе — керамической или пластмассовой, — образуя пакет с контактами, выполненными или по плоской нижней стороне, или по одному из краев. Пакет ЦП связан с системной платой через разъем некоторой формы — гнездо (Socket) в первом и слот (Slot) во втором случае.

Sockel 7, 8. Ранние процессоры — 386, 486, классический Pentium и Pentium MMX — представляли собой плоский квадратный пакет с массивом выводов-штырьков на нижней стороне, называемым матрицей выводов (Pin Grid Array, или PGA), который предполагал включение в гнездо на системной плате. Самым ранним таким интерфейсом, для которого было спроектировано много системных плат, работающих и по сей день (потому что этим поддерживались центральные процессоры различных изготовителей), является Socket 7. Первоначально разработанный Intel как преемник Socket 5, он имел тот же самый размер, но другие электрические характеристики. Socket 8 был разработан для ЦП Pentium PRO. Чтобы размещать кэш второго уровня в пакете (но не в ядре процессора), на плате пришлось устанавливать до трех отдельных схем, что оказалось чрезмерно дорогим для производства, которое и было довольно быстро прекращено.

Slot 1, 2. С введением ЦП Pentium II Intel переключилась к намного более дешевому решению упаковки чипов, которые состояли более чем из одного кристалла — SEC (Single edge contact cartridge) — см. рис. 3.16, e. На картридже SEC размещены шесть отдельных устройств: процессор, четыре модуля пакетной статической кэш-памяти второго уровня и один модуль дополнительной памяти. SEC-картридж имеет важные преимущества — разъем Pentuim Pro содержит 387 контактов, в то время как SEC — только 242. Это сокращение числа контактов на треть произошло вследствие того, что SEC-картридж содержит дополнительные терминаторы («заглушки»), которые обеспечивают разъединение сигналов, что приводит к уменьшению количества требуемых контактов напряжения питания.

Процессор Pentium II Xeon имел кэш-память второго уровня, работающую на полной тактовой частоте ЦП. Это требовало большего теплорассеяния, что в свою очередь привело к большей высоте картриджа. Решением был Slot 2, который также имел больше соединителей, чем Slot 1, что давало возможность поддерживать многопроцессорный протокол.

Super 7. Когда фирма Intel прекратила выпускать ЦП Pentium MMX в середине 1998 г., она фактически полностью оставила поле применения Socket 7 своим конкурентам, преимущественно AMD и Cyrix.

Разработанная AMD и ключевыми партнерами, архитектура платформы «Super 7» усилила возможности Socket 7, добавив поддержку для шинных интерфейсов с частотой 100 и 95 МГц, а также AGP-спецификацию и другие ведущие технологии, включая SDRAM на 100 МГц, USB, Ultra DMA (Direct memory access) и ACPI.

Процессор AMD K6-2 (запущенный в конце мая 1998 г.) обладал значительными архитектурными преимуществами, использовал производственную технологию 250 нм и соответствовал спецификациям Super 7.

Slot Л. При выпуске ЦП Athlon в середине 1999 г. AMD также перешла от разъема «гнездо» к разъему «слот», в данном случае — Slot А (см. рис. 3.30, в). Физически идентичный разъему Slot 1, он использовал совершенно другой протокол (первоначально созданный DEC под наименованием EV6), который организует передачу между ОП и ЦП на частоте 200 МГц. Slot А содержал модуль регулятора напряжения (Voltage regulator module — VRM), возлагая на ЦП обязанность устанавливать правильное рабочее напряжение (в случае использования Slot А ЦП может работать в диапазоне между 1,3 и 2,05 В).

Socket 370. В 1999 г. Intel возвращается к архитектуре интерфейса «гнездо» с началом выпуска процессоров Pentium Celeron. Это квадратный пакет PGA, имеющий 370 контактов (Socket 370).

Внезапный отказ от Slot 1 в пользу Socket 370 вызвал потребность в адаптерах, чтобы можно было ЦП с интерфейсом PGA использовать в системных платах типа Slot 1. К счастью, промышленность сориентировалась и начала выпускать адаптеры (конвертеры) «Slot 1 — Socket 370», которые обеспечивали не только соответствующие соединения, но также и преобразование напряжения.

Socket А. Подобно Slot 1, Slot А фирмы AMD также недолго просуществовал. С появлением ядер процессора Athlon «Thunderbird» и «Spitfire», AMD также вернулась к пакетам стиля

PPGA для нового семейства процессоров Athlon и Duron. Они соединяются с системной платой через интерфейс AMD, названный Socket А. Он имеет 462 контакта, из которых 453 используются ЦП, и поддерживает как шину EV6 (200 МГц), так и ее модификацию на 266 МГц.

Sockel 423, 478. С выпуском Pentium IV в конце 2000 г. Intel представила другой разъем, а именно Socket 423. Показательный для тенденции развития процессоров в сторону уменьшения потребляемой мощности, разъем PGA-стиля имеет эксплуатационный диапазон модуля регулировки напряжения (VRM) между 1,0 и 1,85 В.

Socket 423 использовался только несколько месяцев, когда Intel объявила о выпуске нового разъема Socket 478. Основное различие между ним и его предшественником — использование гораздо более плотного формата расположения контактов (pPGA — микроматрица выводов).

LGA775/Socket Т. Интерфейсы LGA775 используют процессоры Pentium 4 (с ядрами Prescott и Cedar Mill), а также Pentium D (с ядрами Smithfield и Presler). В июле 2006 г. Intel выпустила версию для настольных ПК Core 2 Duo (Conroe), а позднее — Kentsfield Quad-Core ЦП, использующие LGA775. Интерфейс LGA775 обеспечивает лучшее охлаждение процессора, позволяя увеличить частоту FSB. Охлаждающий механизм теперь полностью закрепляется на системной плате.

Socket АМ2. В мае 2006 г. AMD выпускает интерфейс процессора Socket АМ2 (четвертое поколение архитектуры, начинавшейся от Hammer в 2003 г.), преемника более ранних Socket 754, 939 и 940. В то же самое время компания объявила, что это является переходом имеющихся двухъядерных AMD Athlon 64 Х2 к новой платформе в дополнение к представлению нового ряда двухъядерных ЦП AMD Athlon 64 Х2 на 5000+ и 4000+.

Основная инновация в ЦП, использующих АМ2, заключается в размещении на чипе процессора непосредственно контроллера памяти (System Memory Controller Hub — MCH), что устраняет необходимость иметь отдельный Northbridge на системной плате. До сих пор при этом использовалась технология памяти DDR (SDRAM II, в которой передача данных осуществляется по обоим фронтам тактовых импульсов), которая к 2006 г. немного устарела, и новые ЦП на Socket AM2 используют контроллер памяти DDR-II, который работает в соответствующих скоростях DDR-II-667 и DDR-II-800.

В заключение рассмотрим некоторые последние разработки Intel и AMD.

Socket F (известен также как Socket 1207, LGA, 1207 контактов) — для мультипроцессорных систем AMD, использующих DDR2-SDRAM. Заменяет Socket 940 для процессоров Opteron и Athlon 64 FX.

Socket F+ — предназначен для AMD-серверов и двухпроцессорных изделий платформы Quad FX архитектуры К10, которые поддерживают интерфейс HyperTransport 3.0 с частотой от

2,6 ГГц. Предназначен для замены Socket F (процессоры Phenom FX Opteron 8300, серии 2300, Athlon 64 FX-70).

Socket AM2+ — будущий интерфейс AMD для однопроцессорных систем, поддерживает DDR2 и HyperTransport 3.0 с раздельными линиями питания. Заменяет Socket АМ2 (PGA, 940 контактов, электрически совместим с Socket АМ2).

Socket АМЗ (PGA, 940 контактов) — перспективный интерфейс AMD для однопроцессорных систем, с поддержкой DDR3 и HyperTransport 3.0. Планируется к выпуску в 2008 г. для замены Socket АМ2+ с поддержкой DDR3-SDRAM.

Socket SI (PGA, 638 контактов) — разработка AMD для мобильных платформ с памятью DDR2-SDRAM. Заменяет 754 для мобильных процессоров.

Socket FMI, Socket FM2 и Socket FM3 — предназначены для будущих процессоров на основе архитектуры «Fusion».

Socket М — предназначен для Intel Core Solo, Intel Core Duo и Intel Core 2 Duo.

Socket P— разработка Intel, для замены Socket 479 и Socket M.

Socket В (LGA 1366) — новый интерфейс для будущих процессоров Intel, включающих контроллер памяти и Intel QuickPath Interconnect.

Socket H (LGA 715) — будущая замена для Socket T (LGA 775), без включения контроллера памяти и более новыми возможностями соединения процессоров по принципу «точка-точка».

Socket J (также известен как Socket 771 или LGA 771) — предназначен для ЦП Intel Xeon (ядро Woodcrest).

Socket N — для двухъядерного процессора Intel Dual-Core Xeon LV.

Таблица 4.4 характеризует все основные интерфейсы ЦП со времен Socket 1, первого разъема OverDrive-процессоров, используемого процессорами Intel 486 в начале 1990-х гг.

Таблица 4.4. Характеристики некоторых интерфейсов процессоров


Современные аппаратные средства связи микроконтроллера с компьютером по интерфейсу RS-232. Часть 1

Кузьминов Алексей

Разработанный еще в 1969 году последовательный интерфейс RS-232 до сих пор не утратил своего значения. Появление более современных интерфейсов, которыми оснащаются компьютеры (например, USB) и микроконтроллеры (например, CAN, I 2 C, SPI, RS485) и которые по многим параметрам (скорость и надежность обмена информацией, длина линии связи и т. п.) превосходят интерфейс RS-232, казалось бы, должно привести к «концу» использования этого интерфейса. Но интерфейсом RS-232 продолжают оснащать даже современные компьютеры и микроконтроллеры (а во многие из микроконтроллеров интегрируют даже по два таких интерфейса).

Все статьи цикла:

Введение

В чем же причина такой поразительной «живучести» этого интерфейса? Если попытаться ответить на этот вопрос в самом общем виде, то эту причину, по-видимому, следует искать в относительно высокой сбалансированности и универсальности интерфейса RS-232. Другими словами, в этом интерфейсе сочетаются средняя скорость обмена, среднее расстояние линии связи, средняя простота программирования, средняя надежность обмена информации и т. п. При этом, подчас, та или иная «средняя» характеристика интерфейса RS-232 иногда на порядок (а то и на два) превосходит соответствующую характеристику другого интерфейса.

Если, например, сравнить интерфейс RS-232 с интерфейсом USB, то получим следующие отличия.

  • значительно проигрывает USB в скорости и надежности обмена. В связи с этим многие периферийные устройства, подключаемые к компьютеру (принтеры, сканеры, мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т. п.), оборудуют именно интерфейсом USB;
  • выигрывает по длине линии связи (15–20 м против 3 м);
  • значительно выигрывает по простоте программирования (простота программирования RS-232 общеизвестна, а протокол обмена данными по USB сложен, и реализовать его до недавнего времени было не под силу не только радиолюбителям, но и многим специалистам). Почему до недавнего времени? Потому что, хотя и публикуются статьи о программировании USB (см. например, цикл статей в журнале «Современная электроника» за 2005/2006 год), одного взгляда на отрывок такой статьи достаточно (по мнению автора), чтобы отказаться самостоятельно запрограммировать интерфейс USB. В настоящее время двумя фирмами начат выпуск микросхем преобразователей USB–RS-232, в которых основные средства программирования USB переведены на аппаратный уровень и на драйверы, которые организуют «виртуальный« интерфейс RS-232 (повторюсь, как его программировать — всем известно). Если выпуск микросхем CP2101/02/03 компании Silicon Laboratories так и не оставил «глубокого следа» в сердцах разработчиков (поскольку сами микросхемы далеки от совершенства, выпущены в неудобных для ручной пайки корпусах; кроме того, требуются соответствующие драйверы и их установка на компьютер), то микросхемы FT8U100AX, FT8U232AM и FT8U245AM от FTDI (Future Technology Devices International) многим разработчикам очень понравились, поскольку они проще в применении (хотя и имеют неудобные корпуса).

Что касается других интерфейсов, то при сравнении с ними интерфейса RS-232 можно еще раз убедиться в его сбалансированности.

  • проигрывает интерфейсам CAN и RS-485 по скорости и дальности линии связи, но выигрывает по простоте программирования;
  • проигрывает интерфейсу I 2 C по скорости, но выигрывает по дальности линии связи и простоте программирования;
  • проигрывает интерфейсу SPI по скорости и простоте программирования (интерфейс SPI действительно примитивно прост), но выигрывает по дальности линии связи.

Помимо всего прочего, интерфейс RS-232 является на настоящий момент едва ли не единственным средством связи между компьютером и микроконтроллером (если, конечно, не принимать во внимание выпущенные в последнее время микроконтроллеры с интерфейсом USB). Учитывая это, такие ведущие фирмы-производители микроконтроллеров, как Analog devices, Texas Instruments, Atmel, Philips и др. стали выпускать микроконтроллеры, которые обладают свойством «программирования-в-системе» (In-System-Programming — ISP) по интерфейсу RS-232. Дело в том, что скорость программирования микроконтроллеров достаточно низкая (намного ниже, чем максимальная скорость обмена RS-232 — 115 200 бод). Эта скорость определяется относительно медленной записью данных в память программ (EEPROM). Если сравнивать интерфейс RS-232 по этому параметру (как средство коммуникации компьютера с микроконтроллером и его программирования в системе), то налицо явное преимущество RS-232 перед вышеупомянутыми интерфейсами.

И, наконец, последнее, что хотелось бы отметить относительно интерфейса RS-232.

В настоящее время этот интерфейс переживает свое новое рождение в связи с невероятным бумом, причина которого — современные беспроводные технологии. Скорость обмена информацией, например, в беспроводных устройствах малого и среднего радиуса действия едва дотягивает до 9600 бод, а иногда и много меньше (1200 бод). Об увеличении скорости обмена информацией в таких устройствах ни в настоящее время, ни в скором будущем, по-видимому, нет даже и речи, поскольку с каждым годом ужесточается ограничение мощности радиотрансиверов. Сейчас новшества касаются только увеличения чувствительности приемников, входящих в состав радиотрансиверов, и улучшения их (приемников) соотношения «сигнал–шум«. Это улучшение достигается различными методами (например, скачкообразным изменением частоты модуляции, применением избыточного кодирования и другими «хитроумными« способами), но ни в коем случае не увеличением мощности передатчиков, дабы не «засорять эфир«. В этих условиях об увеличении скорости обмена говорить не приходится.

Максимальная скорость обмена, которую допускает интерфейс RS-232 (в компьютере) — 115 200 бод — не будет в скором времени перекрыта подобными устройствами беспроводной связи.

В связи с вышеизложенным, похоже, интерфейс RS-232 вряд ли скоро уйдет из нашей жизни, поэтому с ним придется еще много работать.

Вместе с тем, не следует, однако, полагать, что автор хочет представить интерфейс RS-232 как идеальный и который нужно использовать во всех случаях.

Интерфейс далеко не идеальный, достаточно старый (так и хочется применить слово «потрепанный»); он не лишен многих недостатков, некоторые из которых, к счастью, могут быть устранены как аппаратными, так и программными способами (вот это как раз и является целью публикации цикла статей).

Кроме того, интерфейс RS-232 можно модернизировать, то есть несколько улучшить надежность обмена, увеличить длину линии связи и т. п., что также достигается аппаратными и программными способами.

Наконец, имеется много нюансов в использовании этого интерфейса (как в аппаратном, так и в программном смысле), которые не учитывают не только многие разработчики, но даже и фирмы-производители микроконтроллеров. Отражение некоторых подобных моментов также является предметом настоящего цикла статей.

Предлагаемый читателям материал об интерфейсе RS-232 условно делится на три части (что будет соответствовать трем статьям).

Предметом первой (настоящей) статьи будет обсуждение применения относительно новых традиционных и нетрадиционных преобразователей интерфейса RS-232 взамен широко известного MAX232, а также рассмотрение использования новых микросхем гальванических развязок взамен традиционно используемых оптоизоляторов (оптронов 6N137), применяемых в гальванически изолированном интерфейсе RS-232.

Для демонстрации практического использования описываемых преобразователей интерфейса будут приведены две достаточно простые схемы сопряжения микроконтроллеров MSC1210 и P89LPC938 с компьютером, применяемые для внутрисистемного программировании (ISP) этих микроконтроллеров и для штатного режима их работы. Выбор именно этих микроконтроллеров для демонстрации определяется противоположными уровнями запуска, подаваемыми на вход RESET. Кроме того, это достаточно современные микроконтроллеры, применяемые многими разработчиками.

Вторая статья будет посвящена программированию интерфейса RS-232 в компьютере, работающем в операционных системах Windows 98/XP, с помощью прямых команд ввода-вывода в COM-порт взамен традиционно использующихся для таких целей функций API. Будет показана простота программирования (точно такая же, как и при программировании в DOS), а также сделано сравнение скоростей работы программ, использующих функции API и прямые команды ввода-вывода в COM-порт компьютера. Будет показано, что скорость работы программ, использующих прямые команды ввода-вывода в порт, на порядок выше скорости работы программ, где применяются функции API.

Для демонстрации и для использования в практических целях метода программирования с помощью прямых команд ввода-вывода в COM-порт будут приведены тексты программ для программирования вышеуказанных микроконтроллеров в режиме ISP.

Третья статья будет посвящена новому, разработанному автором протоколу обмена по интерфейсу RS-232 с аппаратной синхронизацией, но только не линиями квитирования (например, RTS-CTS или DTRDSR), традиционно использующимися для таких целей, а линиями данных (TxD и RxD). Необходимо сразу оговориться, что здесь речь идет не о программной синхронизации (традиционно называемой XON-XOFF) линиями данных (TxD и RxD), а именно об аппаратной синхронизации. Как известно, аппаратная синхронизация обладает высокой надежностью обмена, которая особенно важна на высокой скорости (115 200 бод). Будет показано, что линии данных вполне пригодны для аппаратной синхронизации обмена по RS-232; кроме того, использование аппаратной синхронизации линиями данных «освобождает« линии квитирования (DTR и RTS) для других более важных целей (например, для сброса-запуска и перевода микроконтроллера в ISP-режим программирования).

Для демонстрации использования аппаратной синхронизации будут приведены тестовые программы обмена по RS-232, написанные для микроконтроллера и компьютера, работающего под управлением ОС Windows 98/XP. Кроме того, для применения аппаратной синхронизации обмена линиями данных уже в практических целях будут приведены программы (для микроконтроллера и компьютера, работающего вWindows 98/XP) программирования микроконтроллеров P89LPC938 и P89LPC904 в режиме внутрисхемного программирования (In-Circuit-Programming — ICP). Подробнее об этом режиме можно прочитать в описании на эти микроконтроллеры.

В настоящее время издательством «ДМК Пресс» готовится к публикации книга автора «Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером. От DOS к Windows 98/XP», часть информации из которой и приводится в предлагаемом цикле статей.

1. Новые аппаратные средства интерфейса RS-232

1.1. Предварительные замечания

Основная цель настоящей статьи — показать на примерах аппаратных средств сопряжения микроконтроллеров с компьютером возможности интерфейса RS-232 для конструирования систем сбора и обработки информации, поступающей с различного рода датчиков-преобразователей физической (измеряемой) величины в электрический сигнал.

В начале статьи приводится описание новых специализированных микросхем преобразователей уровней интерфейса RS-232 (±10. ±12B) в TTL уровни (0÷ +5/+3B) и обратно, которые в настоящее время стали широко доступны. Кроме того, приводится несколько примеров применения некоторых электронных компонентов, которые могут быть использованы в качестве таких преобразователей. Описываются новые микросхемы гальванических развязок для RS-232, среди которых совершенно новый тип развязок, использующий свойства электромагнитного поля.

Для иллюстрации применения на практике новых преобразователей интерфейса RS-232 во второй части статьи приводятся готовые схемные решения по сопряжению микроконтроллеров с компьютером по этому интерфейсу. Эти схемы сопряжения в основном предназначены для программирования микроконтроллеров, а в штатном режиме их работы — только для тестирования самого обмена по RS-232. В свою очередь, на эти схемы сопряжения автор будет ссылаться во второй статье, где будут приведены программные средства для обмена по RS-232.

1.2. Новые преобразователи интерфейса RS-232

Новые преобразователи интерфейса RS-232 обладают несомненным преимуществом (высокая скорость обмена, малые габариты и потребление энергии, а также достаточно низкая стоимость) перед использовавшимися ранее (MAX318X, MAX3190, ADM3202, MAX1406).

Кроме того, переход на 3-вольтовое питание, которое стало поддерживаться многими современными микроконтроллерами, позволил по-новому подойти к использованию стандартных преобразователей интерфейса (например, ADM231L).

Другой пример — двунаправленный преобразователь SN75155 (корпус DIP8), который давно уже не используется, тоже очень удобно применять в таких приложениях. Что касается нестандартных преобразователей интерфейса RS-232, то к ним можно отнести новые КМОП-транзисторы с изолированным затвором p- и n-проводимости (например, BS250, 2N7000 и др.), которые с успехом могут служить приемниками RS-232, так как их затвор (Uзи = ±20 В) без каких-либо дополнительных резисторов может непосредственно контактировать с выходными линиями RS-232 (±10 В).

Рассмотрим новые специализированные микросхемы преобразователей интерфейса RS-232 более подробно.

1.2.1. Новые специализированные микросхемы преобразователей интерфейса RS-232

На рис. 1 представлены вышеуказанные преобразователи. Кратко охарактеризуем их свойства.

Микросхема Analog Devices ADM3202 отличается высокой скоростью работы (до 460 кбод); емкости конденсаторов, требуемых для работы преобразователя, не превышают 0,1 мкФ; микросхема может работать и при Vcc = +3 В, и при Vcc = +5 В. Размах сигнала драйвера (передатчика) RS-232 составляет ±10 В (при Vcc = +5 В) и ±6 В (при Vcc = +3 В) при работе на нагрузку в 5 кОм. Сигнал очень чистый, без каких-либо паразитных искажений. Кроме того, ADM3202 отличается пониженным потреблением энергии (особенно при питании от +3 В).

Микросхема ADM231L этой же фирмы тоже работает на скорости 115 кбод (в описании указывается, что максимальная скорость обмена составляет 230 кбод), и емкости конденсаторов не превышают 1,0 мкФ. Размах сигнала драйвера повышен и составляет ±11,5 В при питании от первого источника питания +12 В при работе на нагрузку в 5 кОм. Уникальной особенностью микросхемы является независимость размаха сигнала драйвера от напряжения второго источника питания Vcc. Vcc может быть и +3 В, и +5 В. Сигнал также имеет высокую чистоту без паразитных составляющих. ADM231L отличается пониженным потреблением энергии.

Микросхема MAX1406 от MAXIM отличается высокой скоростью работы (до 230 кбод), повышенным размахом сигнала драйвера (±11,5 В) при работе на нагрузку в 5 кОм, независимостью этого размаха от напряжения Vcc и высокой чистотой сигнала. Микросхема питается от 3 источников питания (V+ = +12 В, V– = –12 В и Vcc: +3 ± +5 В), в связи с чем она не содержит преобразователей напряжения (удвоителей и инверторов напряжения как, например, ADM3202 и ADM231L) и не требует большого количества конденсаторов для работы. Особенностью микросхемы является наличие трех приемников и трех передатчиков, что, как будет видно из дальнейшего изложения, позволяет сопрягать с ее помощью компьютер с микроконтроллером (который может работать как в режиме программирования, так в штатном режиме) без каких-либо дополнительных преобразователей интерфейса RS-232. MAX1406 отличается пониженным потреблением энергии.

Микросхема передатчика RS-232 MAX3190 от MAXIM отличается повышенной скоростью работы (до 460 кбод), имеет размах сигнала драйвера до ±10 В при работе на два входа приемников (на нагрузку в 2,5 кОм) при питающих напряжениях V+ = +12 В и V– = –12 В. Кроме того, она потребляет очень мало энергии при работе и может быть переведена в режим сверхнизкого потребления («спящий» режим). Особенностью микросхемы является уникально малый корпус SOT23-6 размером 3×3 мм.

Микросхемы приемников MAX3181 и MAX3183 работают на сверхвысокой скорости для интерфейса RS-232 (до 1,5 Мбод), отличаются сверхнизким потреблением энергии и уникально малым корпусом SOT23-5 размером 3×3 мм. Микросхема MAX3181 является инвертирующим приемником, как и подавляющее большинство всех микросхем приемников RS-232, а MAX3183 — неинвертирующим, что является уникальным свойством, позволяющим, как будет видно из дальнейшего изложения, напрямую подключать к нему вход RST микроконтроллера с активно низким уровнем (например, P89LPC9XX).

И, наконец, последняя микросхема, которую хотелось бы представить, — микросхема SN75155 от Texas Instruments. Это микросхема, в которой в одном корпусе всего с восемью выводами (DIP8, SOIC8) размещается и приемник, и передатчик. Микросхема не нова, однако мало где применяется и особой популярностью не пользуется. А зря. Микросхема реально работает на высокой скорости (115 кбод), требует всего двух источников питания (V+ = +12 В, V– = –12 В), так как источник питания +5 В встроен. В связи с этим для ее работы не требуется дополнительных конденсаторов для инверторов и удвоителей напряжения (как, например, у ADM3202 и ADM231L). Размах сигнала драйвера составляет ±10 В при работе на два входа приемника (то есть на нагрузку в 2,5 К). Недостатками микросхемы являются стандартное (не пониженное) потребление энергии и невозможность работы с микроконтроллером при питании его от +3 В (при 5-вольтовом питании микроконтроллера микросхема работает идеально).

1.2.2. Нетрадиционные преобразователи интерфейса RS-232

Помимо специализированных микросхем преобразователей интерфейса RS-232, о которых было рассказано выше, существуют электронные компоненты, вообще говоря, не являющиеся преобразователями, но которые можно использовать в качестве таких преобразователей. Ниже представлены такие компоненты. Это КМОП-транзисторы прямой (BS250 от Vishay) и обратной (2N7000 от Fairchild или Vishay) проводимости с изолированным затвором и КМОП-коммутатор DG419 (от Vishay). Внутренняя структура и цоколевка этих компонентов приведена на рис. 2.

Кратко охарактеризуем их свойства.

Транзисторы выпускаются в корпусе TO-92 (см. рис. 2). Сопротивление транзисторов в открытом состоянии составляет около 10 Ом, максимальный ток стока — чуть более 200 мА, максимальное напряжение «сток–исток» — не более 50–60 В, время включения и выключения — около 10 нс, мощность рассеяния — около 0,5 Вт. Максимальное напряжение «затвор–исток» (Uзи_max) составляет ±20 В. Последнее свойство позволяет подключать затвор транзистора непосредственно к линиям RS-232 (напомню, что сигнал передатчика RS-232 составляет около ±10 ÷ ± 12В), в связи с чем транзисторы могут использоваться в качестве приемников RS-232. Единственное, что необходимо предусмотреть, это нагрузочный резистор номиналом в 5 кОм, который следует подключить между затвором и общим проводом («землей»), так как сопротивление (изолированного) затвора транзисторов составляет сотни MOм, а стандарт RS-232 предусматривает входное сопротивление приемника в 5 кOм.

На рис. 3 приведены варианты использования КМОП-транзисторов 2N7000 и BS250 в качестве преобразователей интерфейса RS-232 — инвертирующих и неинвертирующих приемников RS-232.

Из рис. 3 видно, что транзисторы могут использоваться в ключевом режиме как в схемах с общим истоком (классический ключ) — в таком режиме работают инвертирующие приемники, так и с общим стоком (истоковый повторитель) — в таком режиме работают неинвертирующие приемники. Схемы достаточно просты и в особых комментариях не нуждаются.

Проверка работы схем заключалась в подаче на затвор транзистора сигнала меандра частотой 115 200 Гц, сформированного передатчиком микросхемы ADM3202, и наблюдения выходного сигнала. Во всех случаях выходной сигнал представлял собой практически прямоугольный меандр.

Микросхема коммутатора DG419 выпускается в корпусе SOIC8 или DIP8. Напряжения питания V+, V– и VL лежат в следующих пределах: +10 ÷ + 15В, -10 ÷ –15 В и +3 ÷ +5 В соответственно. Сопротивление коммутатора в открытом состоянии составляет около 20 Ом. Коммутатор управляется напряжением, поданным на его управляющий вход (вывод 6). При лог. 1 на управляющем входе выводы 1–8 замыкаются, на что указывает символ «1», стоящий над контактом 8. При лог. 0 замыкаются контакты, связанные с выводами 2–8 (при этом контакты 1–8 размыкаются).

Микросхема Vishay DG419 по своей структуре и функциям не отличается от микросхем Analog Devices ADG419 и MAXIM DG419. Однако есть одно и очень существенное отличие в свойстве управляющего входа. Дело в том, что коммутатор управляется сигналом, поданным на его управляющий вход (6-й вывод), и этот сигнал в коммутаторах ADG419 (Analog Devices) и DG419 (MAXIM) должен строго соответствовать TTL-уровню (лог. 0 — от 0 до +0,8 В, лог. 1— от +2,4 В до +5 В при VL = +5 В, V– = –12 В,V+ = +12 В). При подаче на этот вход управления сигнала ниже 0 В (например, –10 В) эти две микросхемы автоматически коммутируют этот сигнал на «землю», так как оснащены входными диодами, защищающими вход управления от отрицательных напряжений (ниже 0 В). У микросхемы DG419 от Vishay таких ограничительных диодов нет, поэтому при VL = +5 В уровень напряжения управляющего сигнала Uупр. в состоянии лог. 0 должен находиться в пределах от V– до 0,8 В, а в состоянии лог. «1» — в пределах от +2,4 В до V+. Если V+ = +12 В, а V– = –12 В, то при Uупр. = ±10 В (уровни интерфейса RS-232) микросхема прекрасно работает и выполняет свои функции. Кроме того, вход управления можно смело подключать напрямую к сигналам с уровнями RS-232, не боясь, что вход будет закорочен на «землю».

Сопротивление открытого канала коммутатора DG419 Vishay (20 Ом) чуть больше, чем у DG419 MAXIM (4 Ом) и меньше, чем у ADG419 Analog Devices (35 Ом). Стоимость DG419 Vishay примерно в два раза меньше, чем ADG419 и примерно в три раза меньше, чем MAXIM DG419.

Таким образом, DG419 Vishay может работать приемником RS-232. Единственное, что необходимо предусмотреть — нагрузочный резистор в 5 кОм (в соответствии со стандартом RS-232), который необходимо подключить между управляющим входом и общим проводом («землей»), так как входное сопротивление микросхемы составляет несколько МОм (потребление энергии DG419 сверхнизкое). На вход VL можно также подавать не только +5 В, но и +3 В и даже меньше. При этом просто немного поменяется порог срабатывания.

Кроме того, DG419 может работать и как передатчик RS-232. В отличие от специализированной микросхемы передатчика RS-232, у DG419 более крутые фронты (намного круче, чем 30 В/мкс). На расстояниях до 10–15 м (расстояние от компьютера до микроконтроллера) это свойство ни к каким негативным результатам не приводит.

На рис. 4 приведены примеры использования коммутатора DG419 в качестве преобразователя интерфейса RS-232 — приемника (инвертирующего и неинвертирующего) и передатчика (инвертирующего). Схемы достаточно просты и в комментариях не нуждаются.

Практическое применение как специализированных микросхем преобразователей RS-232, так и нетрадиционных преобразователей будет более понятно, когда будут рассмотрены конкретные схемы сопряжения компьютера с микроконтроллерами.

1.3. Примеры применения новых преобразователей для сопряжения микроконтроллеров с компьютером по интерфейсу RS-232

1.3.1. Предварительные замечания

Вначале несколько слов по поводу оценочных плат, наборов, эмуляторов-программаторов и т. п.— устройств, предназначенных для «быстрой» разработки аппаратных и программных средств на базе микроконтроллеров. Эти устройства выпускаются либо самими производителями микроконтроллеров, либо «третьими» фирмами.

Разработчику любой системы, состоящей из компьютера и устройства связи с объектом (УСО), сопряженного с первым по интерфейсу RS-232, необходимо помнить следующее:

  • Аппаратные средства сопряжения этих устройств имеют следующие особенности:
    • в подавляющем большинстве случаев схемы сопряжения не приводятся или приводятся с ошибками;
    • если схемы и приводятся, разработчик вынужден копировать их в своих разработках (что не всегда приемлемо, так как элементная база, используемая в таких устройствах, либо безнадежно устарела, либо состоит из микросхем, которые для него труднодоступны) или хотя бы следовать той логике сопряжения, которая приводится, иначе поставляемое программное средство работать не будет (а вот логика сопряжения у разработчика как раз-таки должна быть своя);
    • часто приводимые аппаратные средства сопряжения очень громоздки, и в них трудно разобраться, а разбираться все равно необходимо, иначе, если собственная разработка работать не будет, трудно или вообще невозможно определить причину неисправности;
    • если схема сопряжения реализована даже по интерфейсу RS-232, то различные устройства по-разному управляют состояниями микроконтроллера: одни, например, управляют выводом RST микроконтроллера от линии DTR RS-232 компьютера, другие используют линию RTS, третьи устанавливают микрокнопку, нажав на которую можно сформировать сигнал RST и «сбросить» микроконтроллер; иногда для сопряжения используется сразу два порта RS-232 компьютера и т. п.
  • Программные средства сопряжения подобных устройств с компьютером по RS-232 имеют еще больше недостатков:
    • исходные тексты программ, естественно, не приводятся, а предлагаются уже готовые программы исполняемого формата (∗.exe);
    • программы используют драйверы, которые необходимо установить в компьютере и которые часто конфликтуют с другими программами;
    • скорость обмена по RS-232 очень низкая (практически не более 9600 бод); при установке более высокой скорости в подавляющем большинстве случаев обмен срывается.

Вышеуказанные недостатки аппаратных и программных средств сопряжения таких устройств не позволяют использовать их даже в достаточно простых разработках, а уж о серьезных и говорить не приходится.

Единственное преимущество таких устройств в том, что они позволяют быстро написать и проверить работоспособность какой-либо программы для микроконтроллера. Но после этого, когда нужно уже сконструировать собственное аппаратное средство сопряжения для своей разработки, а также написать программы сопряжения и для микроконтроллера, и для компьютера (не потащишь же такую оценочную плату заказчику), «эйфория» от быстрой разработки какой-либо программы для микроконтроллера проходит, оценочная плата убирается «до лучших времен», и разработчик вынужден делать все сам и с самого начала.

Вот здесь, по мнению автора, и могут пригодиться приведенные ниже примеры сопряжения микроконтроллеров с компьютером по RS-232. Кроме того, автор «не бросает» разработчика только на одних аппаратных средствах схем сопряжения. Для некоторых из них во второй статье будут приведены тексты программ (с комментариями) как для микроконтроллера, так и для компьютера.

И еще об одном. Вышеуказанные устройства с поддерживающим их программным обеспечением, как уже говорилось, достаточно дороги (десятки и сотни долларов); предлагаемые же автором схемы и программное обеспечение (исходные тексты программ в статьях, исполняемые файлы — на сайте автора) совершенно бесплатны.

И, наконец, последнее. Автор ни в коем случае не отговаривает разработчиков от приобретения подобных устройств. В конце концов — это дело вкуса и средств. Цель настоящей статьи — показать, каким образом сконструировать схемы сопряжения микроконтроллера и компьютера и написать соответствующее программное обеспечение — и не более того. Автор никоим образом не специализируется на разработке, производстве и тем более продаже устройств для программирования микроконтроллеров по интерфейсу RS-232. Основная специализация автора-разработка и производство компьютерных систем сбора данных на базе микроконтроллера и компьютера. Проблема, затронутая автором в настоящем цикле статей, является как бы побочным продуктом основной специализации.

Кроме того, приведенные в статье аппаратные и программные средства сопряжения между микроконтроллером и компьютером по интерфейсу RS-232 работают ничуть не хуже, а даже лучше фирменных, если, например, сравнивать не красоту и универсальность программных средств устройств (описанных выше), а характеристики их обмена с компьютером по RS-232 — скорость, надежность обмена и простоту схемных решений. Все фирменные программные средства для нижеприведенных микроконтроллеров (кроме программных средств для микроконтроллеров от ATMEL) работают на скорости, не превышающей 38 400 бод, и даже на этой скорости программы часто «зависают». Нельзя не убедиться еще и в том, насколько фирменные схемы сопряжения с компьютером громоздки и часто сконструированы на старой элементной базе. Насколько же просты схемы сопряжения, предложенные автором, читатель сможет убедиться уже через несколько страниц. Кроме того, все без исключения аппаратные и поддерживающие их программные средства идеально работают на скорости обмена 115 200 бод (разумеется, на более низких скоростях они также работают).

В качестве иллюстраций, показывающих применение новых преобразователей на практике, ниже приведены схемы сопряжения микроконтроллеров MSC121X (Texas Instruments) и P89LPC9XX (Philips Semiconductor) с компьютером для целей программирования и штатного режима работы. Выбор именно этих микроконтроллеров обусловлен следующими причинами.

Во-первых, эти микроконтроллеры поддерживают внутрисистемное программирование (ISP) и именно по интерфейсу RS-232. Напомню, ISP — свойство микроконтроллеров, заключающееся в том, что загрузка программы в микроконтроллер происходит прямо на готовом изделии. Если устройство (например, система сбора) обменивается в процессе своей работы с компьютером по интерфейсу RS-232 и программируется по этому же интерфейсу в режиме ISP, то никаких дополнительных устройств, специально предназначенных для программирования микроконтроллеров (программаторы, эмуляторы-программаторы и т. п.) не требуется.

Следует отметить, что режим ISP микроконтроллеров не обязательно должен иметь интерфейс RS-232. Существуют микроконтроллеры, которые могут быть запрограммированы в режиме ISP и по другим интерфейсам. Например, микроконтроллеры AT89SXX (ATMEL) поддерживают ISP по интерфейсу SPI; микроконтроллеры C8051FXXX (Silicon Laboratories) — по интерфейсу JTAG и C2 и т. п. Поскольку компьютер не имеет этих интерфейсов, необходимо приобретать дополнительные устройства, предназначенные для программирования микроконтроллеров, и использующие интерфейсы, имеющиеся у компьютера (USB, RS-232, принтерный параллельный порт). Стоимость таких устройств, как уже говорилось, довольно высока и может достигать десятков и сотен долларов.

Во-вторых, микроконтроллеры MSC121X и P89LPC9XX помимо ISP по RS-232 обладают еще двумя свойствами, которые намного упрощают конструирование систем сбора данных на их основе: встроенный прецизионный системный таймер (разрядностью 23–24 бита) и встроенный АЦП (разрядностью 10–24 бита).

1.3.2. Управление состояниями микроконтроллера с помощью компьютера по интерфейсу RS-232

Для запуска и внутрисистемного программирования на определенные выводы микроконтроллера необходимо подавать два управляющих сигнала.

Первым таким выводом является вход сброса (RESET).

Практически все микроконтроллеры (кстати сказать, и микропроцессоры) имеют вход сброса RESET (RST), который предназначен для полного сброса и запуска микроконтроллера. В подавляющем числе микроконтроллеров этот вход имеет активный высокий уровень, то есть если подать на вход RST уровень лог. 1, то микроконтроллер будет сброшен и остановлен. При подаче на вход RST лог. 0 микроконтроллер начинает работать (запускается). У микроконтроллеров семейств MSC121X, ADUC8XX и AT89C51ED2(RD2) вход RST имеет активный высокий уровень.

Семейства же P89LPC9XX и C8051FXXX отличаются тем, что вход RST у них имеет активный низкий уровень.

В книге [2] помимо схем сопряжения с компьютером микроконтроллеров MSC1210 и P89LPC9XX (рассматриваемых в настоящей статье) приводятся также схемы сопряжения микроконтроллеров ADUC8XX, AT89C51ED2(RD2) и C8051FXXX. Логика работы схем сопряжения микроконтроллеров ADUC8XX и AT89C51ED2(RD2) аналогична логике работы схемы сопряжения для микроконтроллеров семейств MSC121X, поэтому в статье эти схемы не приводятся.

Помимо уровня сигналов, вывод RST характеризуется еще и тем, что это именно вход, то есть он предназначен для того, чтобы им управлять извне. Как правило, если RST имеет активный высокий уровень, то в микроконтроллере он соединен с внутренним подтягивающим резистором номиналом в несколько сотен кOм, подключенным к общему проводу («земле»). Так, например, значение этого подтягивающего резистора в микроконтроллерах MSC12XX составляет около 500 кOм. Если же RST имеет активный низкий уровень, то подтягивающий резистор подключен к шине питания. Например, в микроконтроллерах P89LPC9XX значение этого подтягивающего резистора, подключенного к шине питания, составляет около 20 кOм.

Кроме того, поскольку вывод RST является входом, его можно либо непосредственно соединять с шиной питания или общим проводом, либо управлять им двухтактным сигналом (который имеют все современные микросхемы логики и который еще называют пушпульным — от английских слов push и pull).

Необходимо отметить, что вывод RST в микроконтроллере является основным. Это означает, что он используется как при запуске и сбросе микроконтроллера, так и при его программировании.

При программировании микроконтроллера по ISP (по RS-232) используется еще один дополнительный вывод, при подаче определенного сигнала на который микроконтроллер переводится в режим программирования. Иногда этот сигнал используется не самостоятельно, а совместно с сигналом, поданным на вывод RST (то есть перевод микроконтроллера в режим ISP производится путем манипулирования уровнями и длительностью обоих сигналов).

В микроконтроллерах MSC12XX таким вторым выводом является вывод PSEN, одно из назначений которого— управлять микросхемами внешней памяти программ. В этом случае вывод PSEN является уже не входом, а выходом, то есть он «сам» подает определенные сигналы на эти микросхемы. В этом семействе микроконтроллеров вывод PSEN соединен с внутренним подтягивающим резистором номиналом около 10 кOм, подключенным к шине питания. Поскольку PSEN — выход, нельзя ни непосредственно соединять его с шиной питания или с общим проводом, ни управлять им двухтактным сигналом (в некоторых случаях, когда двухтактный сигнал не очень мощный, то есть когда ток такого сигнала не превышает нескольких мА в состоянии лог. 0 и 1–2 мА в состоянии лог. 1, такое управление допускается). Для подачи на этот вывод уровня лог. 0 необходимо к нему подключить резистор номиналом в 1 кOм, соединенный с «землей». Для подачи уровня лог. 1 вывод PSEN можно либо просто оставить свободным (напомню, что у него есть собственный подтягивающий к шине питания резистор), либо соединить с шиной питания через высокоомный резистор. Для соблюдения необходимых временных соотношений (иногда с точностью до 1 мкс) при манипулировании сигналом на выводе PSEN этот высокоомный резистор не должен превышать 10–100 кOм, чтобы не затягивать длительности фронтов и спадов (например, свыше 1 мкс). В идеале резистор должен быть около 10 кOм. Для перевода микроконтроллеров семейств MSC12XX в режим ISP вывод PSEN должен находиться в состоянии лог. 0. В штатном режиме работы PSEN должен оставаться в лог. 1.

В микроконтроллерах семейства P89LPC9XX вторым выводом, предназначенным для перевода микроконтроллера в режим программирования, является вывод питания Vdd. В связи с тем, что потребление тока у этих микроконтроллеров достаточно низкое (не более 3 мА), этим выводом можно легко манипулировать обычным двухтактным сигналом, либо оставлять свободным или соединять непосредственно с общим проводом (выключать), либо подключать к шине питания (включать). Необходимо только помнить, что подключение к шине питания должно осуществляться при помощи электронного компонента с достаточно низким сопротивлением (несколько Ом), чтобы напряжение питания оставалось в норме (около 3 В). Для таких целей идеально подходят обычные маломощные KMOП-транзисторы (например, BS250 или 2N7000, о которых было упомянуто ранее). Можно также использовать коммутатор DG419.

Теперь несколько слов об управляющих сигналах в интерфейсе RS-232 компьютера. Напомню, что порт RS-232 (например, COM1) компьютера имеет только две выходных линии (DTR и RTS), состояниями сигналов на которых можно управлять программно, записывая необходимые биты в порт управления с адресом 3FCh. Причем 0-й бит управляет состоянием сигнала на линии DTR, а 1-й бит — на линии RTS. Если, например, значение регистра управления 3FCh равно 0, то линии DTR и RTS сброшены, то есть находятся в состоянии лог. 0 и имеют потенциал –10 В. Записав в порт 3FCh, например, единицу, получим: DTR = +10 В, RTS = –10 В.

Начальные состояния линий DTR и RТS—сброшенные, то есть при включении компьютера и загрузки в него той или иной операционной системы DTR = RTS = –10 В.

Для управления выводами RST и PSEN семейств микроконтроллеров MSC12XX и выводами RST и Vdd семейств микроконтроллеров P89LPC9XX можно (и нужно) использовать сигналы линий DTR и RTS. Причем, при составлении схемы сопряжения необходимо подобрать ее таким образом, чтобы при включении компьютера все (из рассматриваемых) микроконтроллеры находились в состоянии сброса, вывод PSEN у семейств MSC12XX находился бы в состоянии лог. 1 (штатный режим работы), а питание (вывод Vdd) у семейств P89LPC9XX было бы включено (также штатный режим).

Для управления выводом RST лучше всего использовать сигнал DTR (так как для управления им используется самый младший бит регистра управления), а для PSEN или Vdd— сигнал RTS.

Тогда, например, для запуска микроконтроллеров достаточно записать в регистр 3FCh единицу. И вообще, для манипулирования выводами RST, PSEN или Vdd достаточно записывать в регистр управления ту или иную комбинацию из нулей и единиц (а их, понятно, четыре: в двоичном виде— 00, 01, 10 и 11, в шестнадцатиричном: 0, 1, 2, 3).

Итак, подытожим все сказанное по поводу управления состояниями микроконтроллеров с помощью интерфейса RS-232 компьютера.

  1. В начальном состоянии интерфейса RS232 (линии DTR и RТS сброшены, т. е. находятся под потенциалами в –10 В) микроконтроллеры должны находиться в сброшенном состоянии (RST микроконтроллеров семейств MSC12XX должен быть в состоянии лог. 1, т. е. под потенциалом в 3±5 В, а RST семейств микроконтроллеров P89LPC9XX — в состоянии лог. 0, т. е. под потенциалом в 0 В).

Кроме того, вывод PSEN микроконтроллеров семейств MSC12XX должен быть в состоянии лог. 1, и (например) подключаться к шине питания через резистор номиналом в 10 кОм, а питание (вывод Vdd) семейств микроконтроллеров P89LPC9XX должно быть включено. Такое состояние микроконтроллеров является состоянием сброса. Оно должно предшествовать запуску микроконтроллеров в работу.

  1. Для запуска микроконтроллеров в штатный режим работы линию DTR необходимо установить в состояние лог. 1 (+10 В). При этом вывод RST микроконтроллеров семейств MSC12XX должен установиться в состояние лог. 0 (0 В), а вывод RST микроконтроллеров семейств P89LPC9XX—в состояние лог. 1 (+3 В). Кроме того, вывод PSEN микроконтроллеров семейств MSC12XX должен оставаться в состоянии лог. 1— быть подключенным к шине питания через резистор 10 кОм, а питание микроконтроллеров семейств P89LPC9XX должно оставаться включенным (Vdd = +3 В).
  2. Для остановки микроконтроллеров их состояние, а также состояние линий DTR и RTS должно соответствовать п. 1 (состояние сброса).
  3. Переключение микроконтроллеров в состояние программирования должно осуществляться путем манипулирования сигналами DTR и RTS. Эти сигналы, в свою очередь, должны управлять сигналами на выводах RST, PSEN и Vdd соответствующих микроконтроллеров согласно их спецификации программирования в режиме ISP, то есть устанавливать на выводах микроконтроллеров соответствующие потенциалы согласно приведенным в описаниях на микроконтроллеры временным диаграммам.

Перевод микроконтроллеров в режим ISP должен осуществляться из состояния сброса (п. 1).

Таким образом, схемы формирования соответствующих сигналов на выводах микроконтроллеров при помощи линий управления DTR и RTS и сами схемы сопряжения микроконтроллеров с компьютером должны быть составлены так, чтобы выполнялись условия всех п.п. 1–4.

1.3.3. Схемы формирования сигналов RST и PSEN для микроконтроллеров семейств MSC12XX

Свойства приведенных ранее КМОП-транзисторов и микросхемы DG419 являться приемниками RS-232 могут быть использованы в практических применениях для формирования сигналов запуска и остановки микроконтроллеров, а также для программирования микроконтроллеров в режиме ISP.

На рис. 5 приведены две альтернативные схемы управления сигналом на выводе RST, а на рис. 6— две альтернативные схемы управления сигналом PSEN микроконтроллеров семейств MSC12XX. Принципы их функционирования достаточно просты и в комментариях не нуждаются, а достоинства и недостатки сводятся к следующему.

На рис. 5а показана одна из альтернативных схем управления сигналом RST с помощью сигнала DTR. Из схемы видно, что для формирования сигнала RST в соответствии с п.п. 1–4 (см. 1.3.2) достаточно сигнал DTR «пропустить» через стандартный приемник RS-232, обладающий инвертирующими свойствами и имеющий двухтактный выход. Эта схема наиболее проста, не содержит ни одного дополнительного компонента и рекомендуется к применению.

Схема на рис. 5б может быть использована, если приемник RS-232 либо занят другими функциями, либо отсутствует вовсе.

На рис. 6 показаны две альтернативные схемы формирования сигнала PSEN. Схема рис. 6а более предпочтительна, так как сигнал PSEN, сформированный ей, больше защищен от помех; кроме того, эта схема имеет более высокое быстродействие. Оба эти свойства определяются тем, что, с одной стороны, сигнал PSEN (в одном из состояний) соединен с резистором номиналом в 10 кOм, с другой — высоким быстродействием коммутатора DG419. Схема рис. 6б дешевле, но она имеет невысокое быстродействие, поскольку резистор 100 кOм несколько затягивает время спада сигнала. Обе схемы удовлетворяют условиям п.п. 1–4 (1.3.2).

1.3.4. Схемы формирования сигналов RST и Vdd для микроконтроллеров семейств P89LPC9XX

На рис. 7 приведены две альтернативные схемы управления сигналом на выводе RST (для P89LPC9XX), а на рис. 8 — две альтернативные схемы управления сигналом Vdd микроконтроллеров семейств P89LPC9XX. Принципы их функционирования достаточно просты, а достоинства и недостатки описываются ниже.

Две схемы, показанные на рис. 7а (на базе КМОП-транзисторов обратной и прямой проводимости— 2N7000 и BS250 соответственно) имеют достаточное быстродействие, очень просты, дешевы, но потребляют ток около 3 мА (который проходит через резистор R1 при включении транзистора). Эти схемы могут быть рекомендованы, если нет ограничений по энергопотреблению.

Схема рис. 7б имеет более высокое быстродействие, практически не потребляет энергии, поскольку выходной сигнал (RST) является двухтактным, но несколько громоздка и дорога.

Схема, показанная на рис. 8а, обладает достаточным быстродействием, очень проста и дешева, отличается низким сопротивлением при включении питания (менее 10 Ом), но имеет повышенное потребление энергии, так как резистор R2 параллелен нагрузке (а это вход Vdd микроконтроллера) и через него проходит дополнительный ток в 3 мА. При необходимости резистор R2 можно удалить; в этом случае нагрузкой схемы будет сам микроконтроллер, ток потребления которого в активном режиме составляет не менее 3 мА. Однако если микроконтроллер будет переведен в «спящий» режим, его ток потребления намного снизится; это приведет к соответствующему увеличению внутреннего сопротивления (которое в этом случае может составить десятки килоом), что, в свою очередь, может привести к значительному затягиванию времени включения и выключения транзистора Т1.

Все же схема рис. 8а может быть рекомендована к применению, так как манипуляция с включением и выключением питания микроконтроллера (Vdd) в основном используется для его программирования (в режиме ISP). В штатном же режиме работы микроконтроллера его питание Vdd должно быть всегда включено (независимо от того, в каком состоянии находится вывод RST).

Схема, показанная на рис. 8б, имеет высокое быстродействие, низкое потребление энергии и не зависит от потребления тока микроконтроллером. Эта схема более дорогая и громоздкая. Сопротивление в открытом состоянии коммутатора (20 Ом) в два раза выше, чем у транзистора на схеме рис. 8а. Эта схема может быть рекомендована к применению, если есть ограничение на потребляемую энергию.

Теперь читателю не составит большого труда понять конкретные схемы сопряжения микроконтроллеров с компьютером, предназначенные как для штатного режима их работы, так и для программирования в режиме ISP. В следующей части статьи будут рассмотрены конкретные схемы сопряжения.

Продолжение следует.

Литература

  1. Кузьминов А. Ю. Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером. М.: Радио и связь. 2004.
  2. Кузьминов А. Ю. Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером. От DOS к Windows 98/XP. М.: ДМК Пресс. 2006.
  3. Кузьминов А. Ю. Универсальная система сбора и обработки данных АСИР-3. // Мир ПК. 1996. № 6.
  4. Кузьминов А. Ю.Удаленные системы сбора информации с датчиков на базе однокристальных микро ЭВМ // Автоматизация и производство. 1996. № 3.
  5. Кузьминов А. Ю. Однокристальные микроЭВМ — основа удаленных систем сбора и обработки сигналов, поступающих с датчиков // Электроника и компоненты. 1998. № 2.
  6. Кузьминов А. Ю. Новые MCS51-совместимые микроконтроллеры и их применение в системах сбора информации с датчиков // Контрольно-измерительные приборы и системы. 1997. № 6. 1998. № 7.
  7. www.analog.com
  8. www.atmel.com
  9. www.maxim-ic.com
  10. www.semiconductor-philips.com
  11. www.silabs.com
  12. www.ti.com
  13. www.msdn.microsoft.com/library
  14. www.gapdev.com

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Каждый электрик должен знать:  Фотомодули – основа альтернативного энергообеспечения с использованием энергии солнца
Добавить комментарий