4.3 Основные признаки интерфейсов

Для работы ИИС необходимо между всеми ее ФБ организовать взаимодействие. В ИИС, имеющих жёсткую, неизменяемую структуру с постоянным составом ФБ, как правило, совместная работа ФБ обеспечивается индивидуальным сопряжением блоков друг с другом. Когда же необходимо в процессе эксплуатации изменять структуру или алгоритм действия системы, унифицировать управление ФБ и обмен информацией между ними, то во многих случаях целесообразно использование так называемых стандартных интерфейсов (ИФ). Кроме того, не вызывает сомнения, что такая унификация сопряжения и управления ФБ позволяет существенно уменьшить трудоёмкость проектирования, затраты на эксплуатацию, обеспечить кооперацию работы многих изготовителей ФВ систем, любая ИИС представляет объединение аналоговых, цифровых и аналогово-цифровых ФБ. Следовательно, для ИИС нужно было бы иметь ИФ, обеспечивающие совместное действие всех названных ФБ. Однако достаточно полно разработаны лишь цифровые ИФ, обеспечивающие совместную работу цифровых ФБ и цифровых частей аналоговых и аналого-цифровых ФБ. Остановимся на некоторых причинах этого положения. В современных ИИС большая доля служебной информации, необходимой для управления функционированием блоков системы, представляется в цифровом коде. Цифровые измерительная и вычислительная части занимают существенную долю в ИИС, и имеется тенденция к увеличению последних . Это определяется во многом тем, что промышленность выпускает относительно дешёвые АЦП, в том числе в микроминиатюрном исполнении, обладающие неплохими метрологическими характеристиками, ЗУ, микропроцессоры и другие средства цифровой информационной техники. Использование таких средств позволяет приблизить аналого-цифровое преобразование и цифровую первичную обработку информации к измерительным цепям и датчикам и наделить ИИС рядом существенных положительных качеств.

Сказанное определяется тем, что далее рассматриваются в основном цифровые программируемые интерфейсы. Для краткости именно этот тип интерфейсов обозначается сокращенно ИФ.

Перейдем к рассмотрению основных признаков классификации ИФ. Заметим, что в табл. 4.1 производится выделение основных признаков главным образом так называемого информационного ИФ, который должен обеспечивать информационную совместимость в системе.

Таблица 4.1 Основные признаки программируемых интерфейсов

Основные признаки	Граничные состояния
	а	б
А. Характер управления	Централизованное	Децентрализованное
Б. Система шин для информационных и служебных потоков сигналов	Объединённая	Раздельная
В. Организация системы шин	Коллективная (магистральная)	Индивидуальная (радиальная)
Г. Порядок выполнения операций обмена инфор­мацией	Параллельный	Последовательный
Д. Типы информационных ФБ	Источники	Приёмники
Е. Метод обмена информацией	Синхронный	Асинхронный
Ж. Тип используемых ЭВМ	Любой	Заданный
3. Унификация конструкции	Да	Нет
И. Унификация питания	Да	Нет

Приведём некоторые пояснения к содержанию табл. 4.1

В централизованном ИФ (Аа) осуществляется программное управление работой всех ФБ и имеется возможность изменения не только алгоритмов работы, но и состава ФБ, используемых в данной ИИС.

В ИФ с несколькими уровнями централизации должна предусматриваться стандартизация сопряжении ФБ на каждом из этих уровней.

В ИФ с децентрализованным управлением (Аб) обработка информации и обмен информацией между ФБ производится без непосредственного участия устройств управления. В системе определяются приоритеты для каждого активного ФБ, и выделяется «судья»— ФБ, определяющий в необходимых случаях последовательность работы ФБ.Обычно такую роль выполняет центральный процессор.

Система шин может быть использована для обмена как информационными, так и служебными сигналами (объединенная система шин, Ба). Но в некоторых случаях ИФ для прохождения информационных и служебных потоков сигналов используются раздельная система шин (Бб). Организация обмена информацией в таких системах шин может отличаться друг от друга.

Обмен информацией между ФБ в централизованных ИИС может быть осуществлён по индивидуальным (радиальным) или коллективным (магистральным) системам шин. Под шинами подразумевается несколько линий сигналов, выполняющих определенные функции (передача данных, команд, адресов и т.п.). Система шин определяет совокупность шин, используемых в данном ИФ.

В индивидуальной (радиальной) системе шин (Ва) для обмена информацией используются шины, связывающие блок управления системой с каждым ФБ (см. рис. 4.1, б). Коллективная или магистральная система шин (Вб) предусматривает ее использование для обмена информацией между ФБ последовательно, с разделением передаваемых сообщений по времени (см. рис. 4.1, В,Г). Следует заметить, что в ИФ используются и смешанные индивидуально-коллективные системы шин, позволяющие (за счёт некоторого увеличения технических средств по сравнению с системой коллективных шин) упростить управление, программное обеспечение и повысить быстродействие. При использовании магистральной системы шин обеспечивается большая гибкость в изменении состава и алгоритма работы ИИС.

Операции обмена информацией между ФБ могут выполняться последовательно (по битам) либо параллельно (по байту одновременно). При последовательном выполнении (Га) таких операций для обмена информацией используется одна линия связи и происходит разделение сигналов во времени, а при параллельном (Гб) - несколько(>2) линий связи. В последнем случае реализуется разделение сигналов в пространстве. Нужно отметить, что на разных уровнях централизации системы при обмене информацией может использоваться разный порядок выполнения этих операций. Быстродействие и аппаратная сложность систем при последовательном или параллельном порядке выполнения операций обмена информацией существенно различаются.

Функциональные блоки можно разделить на информационные и управляющие. Управляющие функциональные блоки (ФБУ), или контроллеры, выполняют функции организации обмена информационными и управляющими сигналами в системе. Наличие ФБУ характерно для систем с централизованным управлением.

По отношению к "информационным потокам можно выделить следующие основные разновидности ФБ:

ФБ - источники информации (ФБИ), предназначенные для выдачи информации другим ФБ системы (Да); примеры ФБИ - измерительные цепи с датчиками, устройства считывания информации с перфоленты и т.п.;

ФБ - приёмники информации (ФБП), служащие для получения информации от других ФБ предназначенные информации от других ФБ системы (Дб); примеры ФБП - устройства индикации и регистрации;

ФБ - приемники и источники информации (ФБПИ), предназначенные для приема и, после выполнения определенных преобразований, выдачи информации (Да, Дб); примеры ФБПИ-АЦП, ЦАП, функциональные преобразователи, микропроцессоры, микро-ЭВМ.

ФБИ, ФБП, ФБПИ могут быть активными (инициирующими), выступающими инициаторами в обмене информационными сигналами, и пассивными, выполняющими операции обмена информацией только по командам, поступающим извне. Степень активности ФБ может быть различной. Так, например, активные ФБ могут формировать при необходимости запрос на обслуживание, адреса (свой и ФБ, с которыми нужно провести обмен информацией), прерывать работу других ФБ и т.п.

Для передачи цифровой информации между ФБ возможно использовать синхронный (Еа) и асинхронный (Еб) методы.

При синхронной передаче сигналов в цепи ФБИ-ФБП передача и прием производится в фиксированные моменты времени, определяемые синхронизирующими (стробирующими) импульсами, при этом размер интервалов между этими импульсами несколько превышает время, необходимое для передачи сигнала с учетом технологических разбросов и дрейфа параметров устройств, входящих в канат передачи сигналов. Использование синхронного обмена информацией повышает помехоустойчивость передачи информации и упрощает алгоритм действия системы.

Темп обмена информацией при асинхронном методе определяется ФБП путем передачи от него на ФБИ сигнала квитирования об окончании приема информации. Это позволяет проводить обмен информацией за интервалы времени, в среднем меньшие (при том же быстродействии ФБ), чем при использованиисинхронного метода. Особенно эффективен асинхронный метод обмена информацией в системе ФБ, имеющей различное быстродействие.

Некоторые -ИФ рассчитаны на то, что в системе могут быть использованы любые средства обработки информации—универсальные ЭВМ, специализированные вычислительные устройства (Жа). Часто же ИФ обеспечивает обмен информацией в основном только с данной ЭВМ (Жб). По сути дела такие ИФ организуют ввод и вывод информации этой ЭВМ.

Следует заметить, что в последние годы изменяется идеология построения информационных систем. До недавнего прошлого инженер-системотехник при построении информационных систем, предназначенных для сбора и обработки данных от объектов, распределённых в пространстве, использовал преимущественно схему централизованного сбора и обработки информации с помощью одной ЭВМ. В таких системах обработка информации обычно производится централизовано, передача и обработка информации ведутся с учетом приоритетов, передача информации - с разделением сигналов во времени, отображение информации производится на центральном пункте.

К основным недостаткам таких систем можно отнести то, что их надёжность определяется в основном надёжностью центрального устройства, программное обеспечение имеет большую сложность, имеются затруднения с работой в реальном времени, требуется большое количество линий связи в системе ввода информации в ЭВМ.

В настоящее время усиливается тенденция построения информационных систем, в которых функции обработки информации и управления разделяются между многими процессорами, что обеспечивает больше живучесть системы, позволяет повысить быстродействие, несколько упрощает программное обеспечение по сравнению с централизованными комплексами, выполненными на базе одной ЭВМ. Для управления работой вспомогательных процессоров в таких системах используются центральный процессор и радиальное либо кольцевое объединение ФБ системы. Развитию информационных систем такого типа способствует расширяющийся промышленный выпуск мини-ЭВМ и микро-ЭВМ, микропроцессоров и терминального оборудования. Физический ИФ ИИС должен обеспечить техническими средствами совместимость ФБ в системе. Для этого каждый ФБ имеет соответствующий интерфейсный узел (ИФУ), а в системе должны быть реализованы функции управления работой таких узлов (заметим, что в технической литературе интерфейсные узлы часто, видимо для краткости, называются интерфейсами).

В некоторых случаях физический ИФ обеспечивает конструктивную и энергетическую совместимость.

Под конструктивной совместимостью (За) подразумевается стандартизация в рамках системы используемых разъёмов, плат, модулей, стоек и других конструктивов.

Имеются ИФ, не накладывающие ограничения на конструктивное оформление ФБ и их совокупности.

Унификация питания ФБ (Иа), связанная с наличием общих источников питания на группу ФБ, существенно упрощает ФБ, но, как правило, усложняет сами источники питания. Это объясняется тем обстоятельством, что Источники питания должны обладать определённой универсальностью и мощностью, достаточной для питания полного набора ФБ.

Многообразие информационных систем явилось основной причиной того, что в настоящее время разработано и продолжает разрабатываться большое количество ИФ. После тщательной оценки качеств и проверки на практике, лишь небольшая часть ИФ рекомендуется для широкого применения соответствующими международными организациями называются стандартными. Ниже описаны принципы построения и основные характеристики некоторых интерфейсов.Такой материал предназначен для начального изучения интерфейсов и может быть полезным для выбора типа ИФ , пригодного для реализации в конкретных ситуациях.