Методы ввода/вывода и способы передачи данных.

Способы передачи данных.

 

Вводом/выводом (ВВ) называется передача данных между ядром ЭВМ, включающим в себя микропроцессор и основную память, и внешними устройствами (ВУ). Это единственное средство взаимодействия ЭВМ с "внешним миром", и архитектура ВВ (режимы работы, форматы команд, особенности прерываний, скорость обмена и др.) непосредственно влияет на эффективность всей системы.

Подсистема ввода/вывода (ПВВ) обеспечивает связь МП с внешними устройствами, к которым будем относить: устройства ввода/вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, датчики и исполнительные механизмы, АЦП, ЦАП, внешние запоминающие устройства (ВЗУ): таймеры и т.п.

ПВВ в общем случае должна обеспечивать выполнение следующих функций:

1. согласование форматов данных, т.к. процессор всегда выдает/принимает данные в параллельной форме, а некоторые ВУ (например, НМД) - в последовательной. С этой точки зрения различают устройства параллельного и последовательного обмена. В рамках параллельного обмена не производится преобразование форматов передаваемых слов, в то время как при последовательном обмене осуществляется преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот. Все варианты, когда длина слова ВУ (больше 1 бита) не совпадает с длиной слова МП, сводятся к разновидностям параллельного обмена;
2. организация режима обмена - формирование и прием управляющих сигналов, идентифицирующих наличие информации на различных шинах, ее тип, состояние ВУ (Готово, Занято, Авария), регламентирующих временные параметры обмена. По способу связи процессора и ВУ (активного и пассивного) различают синхронный и асинхронный обмен. При синхронном обмене временные характеристики обмена полностью определяются МП, который не анализирует готовность ВУ к обмену и фактическое время завершения обмена. Синхронный обмен возможен только с устройствами, всегда готовыми к нему (например, двоичная индикация). При асинхронном обмене МП анализирует состояние ВУ и/или момент завершения обмена. Временные характеристики обмена в этом случае могут определяться ВУ;
3. адресную селекцию внешнего устройства.

 

Существуют два способа передачи слов информации по линиям данных: параллельный, когда одновременно пересылаются все биты слова, и последовательный, когда биты слова пересылаются поочередно, начиная, например, с его младшего разряда.

Расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м. Так как между отдельными проводниками шины существует электрическая емкость, то при параллельной передачи данных при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, на других проводниках возникает помеха (короткий выброс напряжения). С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) и увеличением скорости передачи помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. И только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи расстояние можно увеличить до 10-20 м.

Указанное обстоятельство и желание использовать для дистанционной передачи информации телеграфные и телефонные линии обусловили широкое распространение способа последовательного обмена данными между ВУ и микроЭВМ и между несколькими микроЭВМ.

Возможны три режима последовательной передачи данных: синхронный, асинхронный и смешанный. При организации последовательного обмена ключевыми могут считаться две проблемы:

1) синхронизацию битов передатчика и приемника;

2) фиксацию начала сеанса передачи.

Синхронный способ характеризуется тем, что сигналы передаются строго периодично во времени. При этом синхронизация бывает: внутренняя и внешняя.

Асинхронный способ характеризуется тем, что сигналы передаются с произвольными промежутками времени.

Смешанный способ характеризуется тем, что байты передаются асинхронно, а биты внутри байтов синхронно.

 

Внешняя синхронизация

При организации внешней синхронизации передатчик генерирует две последовательности - информационную TxD и синхроимпульсы CLK, которые передаются на приемник по разным линиям. Сигнал начала передачи BD или генерируется передатчиком и передается на приемник по специальной линии или передается специальной кодовой группой по информационной линии.

 

Рис. 5.1. Последовательный синхронный обмен с внешней синхронизацией

 

При внешней синхронной последовательной передаче каждый передаваемый бит данных сопровождается импульсом синхронизации, информирующим приемник о наличии на линии информационного бита. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода: два для передачи импульсов синхронизации и бит данных, а также общий заземленный проводник. Поэтому внешняя синхронизация используется только при передаче на небольшие расстояния, т.е. внутри платы. Если же передатчик (например, микроЭВМ) и приемник (например, дисплей) разнесены на несколько метров, то каждый из сигналов (информационный и синхронизирующий) придется посылать либо по экранированному (телевизионному) кабелю, либо с помощью витой пары проводов, один из которых заземлен или передает сигнал, инверсный основному.

В системах с внутренней синхронизацией отсутствуют линии CLK и BD, а на линию данных периодически генерируются специальные коды длиной 1-2 байта - “символы синхронизации”. Для каждого приемника предварительно определяются конкретные синхросимволы, таким образом можно осуществлять адресацию конкретного абонента из нескольких, работающих на одной линии. Каждый приемник постоянно принимает биты с RxD, формирует символы и сравнивает с собственными синхросимволами. При совпадении синхросимволов последующие биты поступают в канал данных приемника.

При этом способе передача начинается с пересылки в приемник одного или двух символов синхронизации (не путать с импульсами синхронизации). Синхроимпульсы обеспечивают синхронизацию передаваемых бит, а начало передачи отмечается по-разному.

Получив такой символ (символы), приемник начинает прием данных и их преобразование в параллельный формат. Естественно, что при такой организации синхронной последовательной передачи она целесообразна лишь для пересылки массивов слов, а не отдельных символов. Это обстоятельство, а также необходимость использования для обмена сравнительно дорогих (четырехпроводных или кабельных) линий связи помешало широкому распространению синхронной последовательности передачи данных.

Достоинства способа с внутренней синхронизацией:

· достаточно двух линий: сигнал и земля;

· высокая частота;

· высокая надежность связи;

· длина пакета определяется взаимной синхронностью передатчики и приемника.

Рис 5.2. Внутренняя синхронизация

 

Асинхронный способ

 

Асинхронная последовательная передача данных означает, что у передатчика и приемника нет общего генератора синхроимпульсов и что синхронизирующий сигнал не посылается вместе с данными.Асинхронный способ обеспечивает передачу информации по единственной линии. Асинхронный способ по методу регистрации сигналов делится на: стробируемый и «запрос-ответ».

Строб – дополнительный сигнал, который является подтверждением действительности других сигналов. Стробирование может осуществляться по фронту или по уровню.

При стробировании по фронту высокое быстродействие, но момент переключения трудно зафиксировать программно.

. При стробировании по уровню меньшее быстродействие, легкая программная реализация и легкая организация приема от нескольких источников.

 

Рис 5.3 Стробируемый метод

Метод «запрос-ответ»

 

Рис 5.4 Метод «запрос-ответ »

 

Метод запрос - ответ опирается на следующий протокол обмена.

t1 – передатчик выставляет данные (предварительно проверив отсутствие строба-ответа)

t2 – передатчик с некоторой задержкой выставляет сигнал строб-запрос

t3 – приемник, анализируя состояние линии строб-запрос, обнаруживает наличие определенного сигнала и в этот же момент осуществляет прием данных по линии.

t4 – передатчик, сканируя линию строб-ответ, обнаруживает, что он активен и сбрасывает строб-запрос

t5 – приемник, сканируя линию строб-запрос, обнаруживает, что строб запрос стал неактивен и сбрасывает строб-ответ

t6 – тоже самое, что и t1

 

Достоинства: метод запрос - ответ состоят в том, что он позволяет сопрягать аппаратуру существенно отличающуюся быстродействием и легко организуется программным путем.