Шины интерфейсов ввода-вывода

Группа линий, обеспечивающих соединение устройств между собой, называется шиной (Bus). Линии шины обычно подразделяются на несколько групп: данных (ШД), адреса (ША), управления (ШУ) и др.

Организация обмена различных устройств ЭВМ через интерфейс невозможна без некоторого набора правил, задающих поведение соединенных шиной устройств, а именно: последовательности помещения информации на шину, выдачи управляющих сигналов и т.п.- так называемого шинного протокола.

Наиболее сложной (в понимании функционирования) группой линий являются линии шины управления ШУ. Для задания типа текущей операции шины (типа шинного цикла) используется линия (сигнал) Зп/Чт (R/W#). Значение “лог 1” на этой линии, как правило, соответствует операции чтения, а значение “лог 0”- операции записи. Если шина допускает пересылку операндов разных размеров (байт, слово и т.д.), размер пересылаемых данных также указывается управляющими линиями.

При обмене данными по шине одно из устройств ЭВМ инициирует пересылку данных по шине и называется инициатором (хозяином- Host) шины. Обычно его роль выполняет процессор, но хозяином может быть любое другое устройство, взявшее на себя (захватившее) управление шиной. Устройство, к которому обращается хозяин шины, называется подчиненным или целевым.

Для задания момента выдачи данных на шину инициатор использует специальные сигналы ШУ. По виду задания момента выдачи данных шины подразделяются на синхронные и асинхронные.

 

Синхронные шины

В случае синхронных шин все устройства получают синхронизирующую информацию по общей линии, на которую подаются тактовые импульсы фиксированной частоты. Промежуток времени, в течение которого выполняется одна операция пересылки данных, называется длительностью цикла шины. В простейшем случае она равна одному периоду тактовой частоты шины.

Временные диаграммы шинного цикла “Вывод данных” синхронной шины приведены на рисунке 6.3.

 

Рисунок 6.3 – Временные диаграммы шинного цикла ”Вывод данных ”

Будем считать, что изменение тактового сигнала все подключенные к шине устройства замечают одновременно (точнее- практически одновременно). По нарастающему фронту тактового сигнала в момент времени t0 хозяин шины выставляет адрес устройства и передаваемые для него данные. Однако из-за задержки распространения сигналов в логических схемах инициатора и переходных процессов в линиях шины сигналы адреса и данных придут к установившимся значениям спустя некоторое время после t0.

Для обозначения того, что инициатор выводит данные, он в момент времени t1 формирует сигнал записи Зп. Адресованное устройство к этому моменту времени должно сравнить адрес, передаваемый по ША, со своим внутренним (с адресом, назначенным устройству в системе) и быть готовым к транзакции (обмену). Ввод данных в регистр данных РД адресованного устройства осуществляется по нарастающему фронту тактовой частоты в момент времени t2.

Недостатком синхронной шины является то, что при подключении к ней нескольких устройств, скорость обмена будет определяться самым медленным из них. Кроме этого, инициатор не может определить, какое из адресуемых устройств ответило на запрос и ответило ли оно вообще, т.к. в синхронной шине отсутствуют ответные сигналы от адресованных устройств. В последнем случае инициатор обмена даже не обнаружит ошибку.

 

Асинхронные шины

В асинхронных шинах при пересылке данных используется механизм квитирования- подтверждение связи между инициатором обмена и подчиненным устройством. Механизм квитирования аналогичен порядку пересылки почтовых отправлений с уведомлением о вручении, при котором по получению отправления в адрес отправителя направляется уведомление о вручении (квитанция). В асинхронных шинах линия тактирования заменяется двумя управляющими линиями синхронизации: готовности хозяина (Master-ready) и готовности подчиненного устройства (Slave-ready). Первая принадлежит хозяину шины, который выставляет на ней сигнал готовности к транзакции, по второй отвечает подчиненное устройство.

Временные диаграммы сигналов асинхронной шины при вводе приведены на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Временные диаграммы шинного цикла “Ввод данных ” асинхронной шины

В момент времени t0 инициатор выдает, на линии шины адрес подчиненного устройства и информацию о типе пересылки (команду). В момент времени t1 он сообщает об этом всем подчиненным устройствам по линии Master-ready (инициатор готов). Все подключенные к шине устройства, при активации этой линии, декодируют адрес. Устройство, для которого предназначена команда, выполняет ее и информирует об этом хозяина сигналом квитирования Slave-ready (подчиненный готов), после чего хозяин может начинать новый шинный цикл.

Важнейшим преимуществом асинхронной шины является то, что квитирование избавляет от необходимости жесткой синхронизации скоростей работы инициатора и подчиненного устройства, что упрощает шину. Никакие задержки, связанные с распространением сигнала по шине и интерфейсным схемам, не отражаются на работе шины.

 

6.4 Контрольные вопросы

1. Дайте определение интерфейса.

2. Какие основные способы ввода-вывода применяются в ЭВМ?

3. Что такое программно- управляемый ввод- вывод и ввод- вывод в режиме ПДП?

4. Отличия синхронных и асинхронных УВВ? Достоинства и недостатки синхронного и асинхронного способов ввода- вывода.

5. Достоинства и недостатки ввода- вывода в режиме ПДП.

6. Перечислите последовательность действия устройств при выполнении процедуры ввода- вывода в режиме ПДП.

7. Перечислите характеристики интерфейсов ввода-вывода.

8. Назовите основной принцип организации синхронной шины.

9. Недостатки синхронной шины?

10. Назовите принципы организации асинхронной шины.

11. Недостатки асинхронной шины?

12. Какое назначение сигнала Master-ready?

 

7. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ ЭВМ С МАГИСТРАЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ