Назначение и характеристики интерфейсов

Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в единый комплекс различных блоков ЭВМ, устройств хранения и отображения информации, измерительных приборов, устройств для связи с объектом (УСО), аппаратуры передачи данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения – интерфейсы. Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжение» и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других – устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы. Для акцентирования внимания на комплексном характере интерфейса используются термины «интерфейсная система», «программный интерфейс», «физический интерфейс», «аппаратурный интерфейс» и т.д.

Согласно ГОСТ 15971 – 74 под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Структурная схема интерфейса показана на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Структурная схема интерфейса: ФБ – функциональный блок; ИБ – интерфейсный блок; К – контроллер; УБ – управляющий блок

Проектирование интерфейсов выполняется на основе четырех основных взаимосвязанных принципов: группового, агрегатирования, унификации, взаимозаменяемости.

Принцип группового проектирования заключается в создании ряда (семейства) функционального и конструктивно подобных устройств (модулей, систем) определенного назначения, соответствующих разнообразным условиям их использования. Основная задача группового проектирования – достижение максимальной универсальности и совместимости ЭВМ, вычислительных комплексов (ВК) внутри проектируемого ряда. Примером эффективного использования принципа группового проектирования являются разработки ряда ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ.

Принцип агрегатирования (модульного построения) состоит в рациональном разделении системы, устройства на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с целью совершенствования их технических характеристик, а также обеспечения высокопроизводительных способов производства и обслуживания. Пример применения модульного проектирования – разработка параметрических рядов модулей СМ ЭВМ и микропроцессорных больших интегральных схем (МПК БИС).

Принцип унификации заключается в минимизации номенклатуры составных узлов, блоков устройства, модулей, связей между ними при рациональной компоновки и эффективного функционирования устройства или системы. Интерфейс можно рассматривать как практический пример унификации связей и устройств сопряжения составных элементов ЭВМ и систем.

Принцип взаимозаменяемости основывается на способности модуля выполнять в устройстве различные установочные функции без дополнительной конструкторской обработки. Взаимозаменяемость – следствие процесса унификации. Эта характеристика определяет степень универсальности устройства. Примером взаимозаменяемости может служить так называемая универсальная интерфейсная карта (или программируемый интерфейс), являющаяся базой ряда устройств ввода – вывода (УВВ).

Основное назначение интерфейса – унификация внутри- и межсистемных связей и устройств сопряжения.

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

Информационная совместимость – это согласованность взаимодействия функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий.

Логические условия определяют структуру и состав унифицированного набора шин; набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования; способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации состояния; временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие.

Логические условия информационной совместимости определяют функциональную и структурную организацию интерфейса. Для большинства интерфейсов эти условия в основном стандартизируются или же носят рекомендательный характер. Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные технико-экономические показатели – пропускную способность и надежность интерфейса, а также объем аппаратурных затрат на устройства сопряжения.

Электрическая совместимость – это согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса и техническую реализацию приемопередающих элементов.

Условия электрической совместимости определяют тип приемопередающих элементов; соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов и пределы их изменения; коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих элементов и значения допустимой емкостной и резистивной нагрузки линии в устройстве; схему согласования линии; допустимую длину линии и порядок подключения линий к разъемам; требования к источникам и цепям электрического питания (при наличии в системе линий напряжения питания); требования по помехоустойчивости и заземлению.

Условия электрической совместимости влияют на такие характеристики интерфейса, как скорость обмена данными, конфигурация размещения устройств и расстояния между ними, предельно допустимое число подключаемых устройств и помехозащищенность. Требования электрической совместимости тесно связаны с характеристиками приемопередающих интегральных микросхем. Обычно тип приемопередающих элементов и большинство условий электрической совместимости регламентируются стандартом.

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

Условия конструктивной совместимости определяют типы соединительных элементов (разъем, штекер и распределение линий связи внутри соединительного элемента); конструкции платы, каркаса, стойки; конструкции кабельного соединения.

В рекомендациях стандартных интерфейсов условия конструктивной совместимости не всегда определяются полностью. Например, в некоторых стандартах оговариваются лишь требования по использованию разъемов и типа кабелей, в других определяются размеры и перечень конструктивов.

Применение рассмотренных принципов проектирования тесно связано со стандартизацией.