Типы интерфейсов ввода-вывода

Что такое интерфейс ввода-вывода? Как известно, в любом обмене информацией участвует две стороны (например, процессор и внешнее устройство). Как правило, одна из сторон является инициатором обмена информацией (в дальнейшем будем называть ее ведущей стороной), другая - подчиненной (ведомой).Для их взаимодействия необходимо выполнение нескольких условий, а именно:

наличие физического канала связи;

наличие протокола взаимодействия;

наличие аппаратуры, обеспечивающей взаимодействие двух сторон по протоколу.

Под интерфейсом ввода-вывода понимают физический канал связи, совокупность электронных схем, обеспечивающих передачу сигналов по физическому каналу связи в соответствии определенным протоколом связи (совокупностью правил и алгоритмов обмена информацией по каналу связи, требованиями по представлению информации, электрическим и механическим правилам взаимодействия).

Физический канал связи может быть как проводным (совокупность проводников (шин) для передачи информации), так и беспроводным (радиоканал, инфракрасный канал и т. п.).

Совокупность электронных схем, обеспечивающих передачу сигналов по физическому каналу связи, а также протокол связи реализует контроллер интерфейса.

Для обеспечения обмена информацией каждая сторона, участвующая в обмене, должна иметь в своем составе контроллер соответствующего интерфейса (рис. 24.2).

Рис. 24.2. Компоненты внешнего интерфейса

Ответ на вопрос «Сколько интерфейсов должно быть в подсистеме ввода-вывода» не однозначен. В идеале хотелось бы иметь один универсальный интерфейс, который бы позволил обеспечивать эффективные обмены с любыми внешними устройствами. Однако, на практике такое требование на современном этапе развития вычислительной техники нецелесообразно. Основной причиной этого является очень большое разнообразие внешних устройств по типу физического канала связи, по скорости обмена, по сложности протоколов обмена, по стоимости реализации контроллера интерфейса, по стоимости внешнего устройства и ряду других параметров. Универсальный интерфейс должен удовлетворять требования разнообразных физических каналов связи, самых сложных и скоростных внешних устройств (например, сетевых карт), и в то же время его реализация не должна существенно увеличивать стоимость простых и дешевых внешних устройств, типа клавиатур, «мыши» и им подобных.

Исходя из противоречивых требований к интерфейсам внешних устройств их количество в современных вычислительных системах довольно значительное, хотя в последние годы четко прослеживается тенденция к уменьшению их числа.

Различают следующие типы интерфейсов - параллельные; последовательные; радиальные; магистральные.

Физический канал связи проводного параллельного интерфейса состоит из нескольких шин (проводников), по которым одновременно (параллельно) передается несколько разрядов данных (рис. 24.3).

Рис. 24.3. Принципы параллельной и последовательной передачи данных

Типичными представителями проводных параллельных интерфейсов для внешних устройств являлись интерфейсы PCI, SCSI. Примером очень старого проводного параллельного интерфейса является интерфейс IEEE 1294 (LPT-порт).

Физический канал связи проводного последовательного интерфейса состоит из одной пары проводников, по которой разряды сообщения передаются последовательно, т.е. по одному в каждый момент времени. Типичными современными представителями проводных последовательных интерфейсов в настоящее время являются интерфейсы USB, PCI Express, Hyper Transport. Примером устаревшего проводного последовательного интерфейса является интерфейс RS-232C (COM-порт).

Беспроводные физические каналы связи последовательные.

При использовании радиального интерфейса внешнее устройство подключается к разъему интерфейса подсистемы ввода-вывода индивидуальными линиями связи. Такое подключение внешнего устройства к подсистеме ввода-вывода называется «точка – точка» или двухточечное (рис. 24.4). Радиальный интерфейс может быть как параллельным, так и последовательным.

Рис. 24.4. Соединение «точка – точка» - радиальное соединение.

D –передатчик; R – приемник.

Если к одному контроллеру интерфейса подсистемы ввода-вывода подключено несколько внешних устройств, то такой интерфейс является магистральным, а подключение – многоточечным (рис.24.5 и 24.6).

Рис. 24.5. Соединение «один источник – много приемников»

Рис.24.6. Многоточечное соединение (магистраль) – «много источников – много

приемников»

Логическая топология интерфейса может быть одного вида, а физическая – другого. Типичным примером такого интерфейса может быть интерфейс USB. К модулю ввода-вывода с этим интерфейсом одновременно разрешается подключать до 127 внешних устройств. С этой точки зрения интерфейс USB это магистральный интерфейс. Однако физически каждое внешнее устройство подключается радиальными связями.

Радиальными с точки зрения физического подключения является большинство новых интерфейсов, а именно, PCI Express, Hyper Transport.

Интерфейсы бывают асинхронные и синхронные. В синхронных интерфейсах все операции осуществляются по специальным синхронизирующим сигналам. Источником синхросигналов является, как правило, центральный компонент интерфейса. В настоящее время практически все современные интерфейсы являются синхронными.