Інтерфейси введення-виведення. Класифікація інтерфейсів

Інтерфейс – це сукупність ліній і шин сигналів, електричних схем, а також алгоритмів (протоколів), що здійснюють обмін інформацією між пристроями ЕОМ. Він уніфікує склад і призначення ліній зв'язку, визначає послідовність сигналів при виконанні операцій, тимчасові співвідношення і перехідні процеси в лініях.

Лінії, згруповані за функціональною ознакою або призначенням, називають шинами інтерфейсу. Сукупність всіх ліній утворює магістраль інтерфейсу.

Надійність і продуктивність ЕОМ багато в чому залежать від характеристик інтерфейсів.

Об'єднання окремих підсистем (пристроїв, модулів) ЕОМ в єдину систему грунтується на багаторівневому принципі з уніфікованим сполученням між всіма рівнями — стандартним інтерфейсом.

В даний час не існує однозначної класифікації інтерфейсів. Можна виділити наступні чотири класифікаційні ознаки інтерфейсів:

¨ спосіб з'єднання компонентів системи (радіальний, магістральний, змішаний);

¨ спосіб передачі інформації (паралельний, послідовний, паралельно-послідовний);

¨ принцип обміну інформацією (асинхронний, синхронний);

¨ режим передачі інформації (двостороння почергова передача, одностороння передача).

На мал. 10.2 представлені радіальний і магістральний інтерфейси, що сполучають центральний модуль (ЦМ) і інші модулі (компоненти) системи (М1..., Мп).

Мал. 10.2. Радіальний (а) і магістральний (б) інтерфейси.

Класифікація інтерфейсів за призначенням відображає взаємозв'язок з архітектурою реальних засобів обчислювальної техніки. Відповідно до цієї ознаки в ЕОМ і обчислювальних системах можна виділити декілька рівнів сполучень:

- машинні системні інтерфейси;

- локальні шини;

- інтерфейси периферійних пристроїв (малі інтерфейси);

- міжмашинні інтерфейси.

Машинні (внутрішньомашинні) системні інтерфейси призначені для організації зв'язків між складеними компонентами ЕОМ на рівні обміну інформацією з центральним процесором, ОП і контроллерами (адаптерами) ПУ

Локальною шиною називається шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора, і призначена для збільшення швидкодії відеоадаптерів і контроллерів дискових накопичувачів. Вона зазвичай об'єднує процесор, пам'ять, схеми буферизації для системної шини і її контроллер, а також деякі допоміжні схеми. Типовими прикладами локальних шин є VLB і PCI

Призначення інтерфейсів периферійних пристроїв (малих інтерфейсів) полягає у виконанні функцій сполучення контроллера (адаптера) з конкретним механізмом ПУ.

Міжмашинні інтерфейси використовуються в обчислювальних системах і мережах.

До інтерфейсів цієї групи відносяться LPT-, СОМ-, GAME- і MIDI-порти, шини SCSI, USB і FireWire.

Основоположником групи зовнішніх інтерфейсів є послідовний інтерфейс СОМ-порту RS-232C, що прийшов від віддалених терміналів, і використовувався раніше навіть для підключення принтерів.

. Він є максимально простий у реалізації і одночасно забезпечує високий рівень захисту від завад на довгих лініях. Одним із найважливіших застосувань RS-232 стало підключення ведмедики, на зміну якому прийшов стандарт PS/2.

Проте і досі COM порт використовується для управління блоками безперебійного живлення, підключення модемів, деяких фотокамер (переважно застарілих), а також багатьох інших пристроїв. Фізично роз'єм COM-порту 9- або 25-контактний SUB-D роз'єм.

Передача даних по лінії RS-232 відбувається побітно, послідовно один за одним, при чому можлива передача даних в обох напрямах. Передача даних відбувається в асинхронному режимі, кожен пакет даних складається із стартового біта, 8 біт даних та стопового біта, при чому як прийом, так і передача здійснюються з однаковою тактовою частотою. Для зменшення ймовірності помилок інколи у пакет даних включається додатковий біт контролю парності. Амплітуда сигналів досягає величини +/- 12В, що забезпечує високий рівень захисту даних від завад.

BIOS у сучасних комп'ютерах підтримує до 4-х COM портів, для обслуговування яких виділяється лише два переривання. Для СОМ1/COM3 це IRQ 4, для COM2/COM4 - IRQ 3.

Згодом із принтерних інтерфейсів послідовний RS-232C був витиснутий більш продуктивним паралельним інтерфейсом Centronics, реалізованим LPT-портом.

Специфікація IEEE1284 (LPT) визначає параметри паралельного інтерфейсу обміну даними із зовнішніми пристроями комп'ютера. Однонаправлений паралельний інтерфейс для підключення принтерів отримав найменування Centronics. Він об'єднує специфікацію на параметри сигналів, протоколи взаємодії і роз'єми, що використовуються. Інтерфейс Centronics реалізований на сучасних комп'ютерах як SPP (Standard Parallel Port - стандартний паралельний порт). Як роз'єм застосовується DB-25S, що розміщений на окремій планці.

Контроллер паралельного інтерфейсу підтримує 8-бітову шину даних, 5-бітову шину сигналів стану і 4-бітову шину сигналів, що управляють. Зазвичай підтримуються три 8-бітові регістри в просторі введення-виводу і одна лінія запиту переривання. Схемотехніка порту LPT базується на TTL-логіці. Швидкість обміну не вище 150 Кбайт/с при значному завантаженні процесора. Очевидно, що для сучасних пристроїв друку така швидкість абсолютно недостатня.

В міру росту можливостей принтерів, розширення номенклатури і вимог пристроїв уведення (сканери, дигитайзери) і пристроїв із двохнаправленним характером обміну (зовнішні диски, швидкісні модеми) продуктивності зазначених інтерфейсів виявилося недостатньо. Разом з тим виявилося, що підвищити продуктивність зовнішніх інтерфейсів можна зворотним переходам на послідовний інтерфейс, що знімає проблеми виготовлення багатожильних кабелів і багатоконтактних з'єднувачів з нормованими параметрами затримок сигналів. Ці передумови привели до появи послідовних шин USB і FireWire, що вирішують багато проблем підключення комп'ютерної периферії:

· подолання обмеження продуктивності;

· спрощення підключень – мінімізація кількості й асортименту сполучних кабелів;

· економія ресурсів ЕОМ – адрес портів, каналів DMA і ліній запитів переривань, необхідних для підключення традиційних адаптерів;

· повна підтримка технології Plug and Play.

USB (Universal Serial Bus) –послідовна шина підключення зовнішніх периферійних пристроїв середньої швидкодії (включаючи клавіатуру, мишу й інші пристрої), що забезпечує двохнаправленну передачу інформації. Двохжильний інтерфейс забезпечує швидкість передачі 1.5 чи 12 Мбіт/с. Пристрої підключаються по топології дерева, використовуючи хаби-розгалужувачі.

Унаслідок недостатньої продуктивності USB для цифрової передачі живого відеозоображення, на її базі був створений високопродуктивна послідовна шина FireWire (IEEE 1394). Цей інтерфейс із продуктивністю від 100 Мбіт/з і вище (до 1,6 Гбіт/с) призначений для підключення дисків, стримерів, сканерів, цифрових відеопристроїв і т.п.

SCSI (Small Computer System Interface, вимовляється «сказі») – інтерфейс системного рівня, стандартизований ANSI. SCSI-шина реалізується у виді кабельного шлейфа, що допускає з'єднання до 8 пристроїв внутрішнього і зовнішнього виконання. До шини можуть підключатися дискові внутрішні і зовнішні нагромаджувачі (вінчестери, змінні вінчестери, CD-ROM, магнітооптичні диски й ін.), стримери, сканери й інше устаткування, що вимагає інтенсивного обміну даними.

Інтерфейс ігрового адаптера (GAME-порту) відрізняється від описаних вище тем, що крім ввода значень дискретних (4 біти) сигналів, використовується для введення й аналогових сигналів (величини опору 4 резисторів). З самого початку порт був призначений для підключення джойстиків і інших ігрових пристроїв уведення, але може використовуватися для підключення й інших датчиків.

У таблиці приведені характеристики основних зовнішніх інтерфейсів.

Інтерфейс	Спосіб передачі	Максимальна швидкість передачі	Максимальне віддалення	Устаткування, що підключається
RS-232C COM-порт	послідовний	20 Кбіт/c	15 м	Миша, модем
Centronics LPT-порт	Паралельний	2 Мбайти/c	2 м (до 10 м при використанні спец. кабелю)	Принтери, сканери
Ultra SCSI	Паралельний	80 Мбайт/с	1.5 м	Накопичувачі, сканери
USB	послідовний	12 Мбіт/с	5 м (при використанні екранованої крученої пари)
FireWare	послідовний	400 Мбіт/с	4.5 м	Накопичувачі, відеоустаткування